汽車車燈集成激光雷達(dá)的應(yīng)用研究

謝延青，張帆，張駿，郭昊宇

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

自動(dòng)駕駛可追溯到20世紀(jì)70年代，伴隨著自動(dòng)駕駛的發(fā)展，用于周圍環(huán)境感知的傳感器也不斷迭代更新。常用于汽車環(huán)境感知的傳感器有攝像頭、微波雷達(dá)和毫米波雷達(dá)，此外還有激光雷達(dá)等。相較于常見的攝像頭，激光雷達(dá)可以主動(dòng)發(fā)光，在黑暗環(huán)境中優(yōu)勢(shì)明顯。而對(duì)比微波雷達(dá)或毫米波雷達(dá)，激光雷達(dá)波長(zhǎng)更短、精度更高，并且能夠?qū)χ車h(huán)境更精細(xì)地探測(cè)。汽車搭載激光雷達(dá)除了可以用于輔助緊急制動(dòng)和自適應(yīng)巡航控制，也可以在物體識(shí)別、跟蹤、避障和復(fù)雜路況的預(yù)警等方面發(fā)揮重要作用。但激光雷達(dá)在汽車中的安裝位置略顯尷尬，車頂部的安裝不僅可能影響美觀，還會(huì)影響汽車整體的風(fēng)阻設(shè)計(jì)，增加油耗。汽車車燈主要為駕駛員或其他交通參與者提供道路照明或車輛狀態(tài)信號(hào)，主要設(shè)計(jì)在汽車上左右對(duì)稱且豎直方向居中，集成了線束和水平調(diào)整機(jī)構(gòu)等部件，如將激光雷達(dá)內(nèi)置車燈中將會(huì)為其提供良好的應(yīng)用環(huán)境，同時(shí)不影響汽車外觀。優(yōu)秀的具有感知功能的車燈設(shè)計(jì)會(huì)給汽車輔助駕駛增色不少。由于補(bǔ)盲激光雷達(dá)測(cè)試距離較近，尺寸較小，安裝于車身周圍對(duì)造型影響不大，而中遠(yuǎn)距離激光雷達(dá)尺寸較大且主要應(yīng)用于車輛行駛方向附近的環(huán)境感知，所以本文主要討論中遠(yuǎn)距離激光雷達(dá)內(nèi)置于前照燈的相關(guān)問題。

1 車載激光雷達(dá)原理及分類

1.1 車載激光雷達(dá)的原理

激光雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)方式主要包括調(diào)頻連續(xù)波、結(jié)構(gòu)光、三角法和飛行時(shí)間（Time-of-flight，ToF），其中ToF常用于車載中遠(yuǎn)距離激光雷達(dá)。ToF方式通過對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行測(cè)距得到三維點(diǎn)云，從而感知車輛、行人或障礙物。ToF測(cè)距有兩種方式，一種是將光調(diào)制成一定頻率的周期信號(hào)，通過計(jì)算發(fā)射光和接收光信號(hào)的位相差得到距離，叫做間接飛行時(shí)間測(cè)量（indirect Time-of-flight，iToF）。iToF一般使用占空比較高的脈沖串同時(shí)檢測(cè)收發(fā)時(shí)間差和位相差，由于易受環(huán)境影響且測(cè)試距離受限，目前主要應(yīng)用于室內(nèi)。另一種測(cè)距可以通過測(cè)量發(fā)射光與接收光信號(hào)脈沖時(shí)間間隔直接計(jì)算得到，這種方式叫直接飛行時(shí)間測(cè)量（direct Time-of-flight，dToF），也是目前車載激光雷達(dá)的主要方式。下文是iToF和dToF的原理示意（圖1）及計(jì)算公式。

圖1 iToF和dToF的原理示意圖

式中：d——測(cè)試距離；c——光學(xué)介質(zhì)的光速；Δt——發(fā)射和接收的時(shí)間差；Δφ——位相差；f——調(diào)制頻率。

1.2 車載激光雷達(dá)組成及分類

車載激光雷達(dá)的分類方式很多，實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線也各有差異。使用dToF的激光雷達(dá)的核心器件包括光源、接收器、光學(xué)掃描器件、驅(qū)動(dòng)和信號(hào)處理電路。目前車載激光雷達(dá)主要使用激光二極管（LD）作為光源，也有部分廠家考慮使用功率更高、光束品質(zhì)更好的光纖激光器以得到更遠(yuǎn)的探測(cè)距離，但前者在價(jià)格、尺寸、散熱和可靠性方面更有優(yōu)勢(shì)。接收器會(huì)根據(jù)測(cè)試距離（增益需求）或點(diǎn)云密度需求使用APD、SPAD或SiPM以及CCD/CMOS。各家差異較大的是其光學(xué)掃描方式。光學(xué)掃描的主要實(shí)現(xiàn)方式有機(jī)械旋轉(zhuǎn)、振鏡、轉(zhuǎn)鏡、微電機(jī)系統(tǒng)（MEMS）、楔形透鏡等。激光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)整形成點(diǎn)、線或者面，再通過不同的掃描方式完成工作。下面介紹幾種常見于車載激光雷達(dá)的掃描方式。

1）機(jī)械旋轉(zhuǎn)式。機(jī)械旋轉(zhuǎn)是較早實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)的掃描方式，Velodyne最早的激光雷達(dá)就是使用這種方式，時(shí)至今日，仍然是常見的實(shí)現(xiàn)形式，如圖2所示。機(jī)械旋轉(zhuǎn)可以實(shí)現(xiàn)360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)，水平分辨率較高，豎直分辨率由激光器和接收器的對(duì)數(shù)及其夾角確定。安裝環(huán)境周圍需要避免遮擋，多安裝于車頂，這也是目前激光雷達(dá)影響汽車外觀的一個(gè)原因。如果安裝在車燈內(nèi)部會(huì)犧牲部分測(cè)試范圍，所以在討論車燈集成激光雷達(dá)時(shí)，后面介紹的幾種方式可能更合理。

圖2 機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)示意圖

2）振鏡式。振鏡是激光掃描中常用的器件，在激光雷達(dá)中也常被使用。單個(gè)振鏡繞軸旋轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)一維掃描，兩個(gè)振鏡繞互垂直的兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)，可以完成兩個(gè)方向上的掃描。相比機(jī)械旋轉(zhuǎn)方式，其掃描范圍較小，適合安裝于燈內(nèi)。如圖3所示。

圖3 振鏡式激光雷達(dá)示意圖

3）轉(zhuǎn)鏡。轉(zhuǎn)鏡有多個(gè)反光面，每個(gè)反光面與旋轉(zhuǎn)軸的夾角可以相同，也可不同。當(dāng)各面夾角相同時(shí)，轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)時(shí)可實(shí)現(xiàn)一定角度范圍的往復(fù)掃描；當(dāng)夾角不同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)在水平和豎直方向的分時(shí)掃描，但此種方式豎直分辨率由各反射面夾角決定。在應(yīng)用中，常用夾角相同的轉(zhuǎn)鏡與一維振鏡配合使用，以實(shí)現(xiàn)豎直方向更高的分辨率。如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)鏡式激光雷達(dá)示意圖

4）MEMS方式。MEMS與振鏡的原理類似，其尺寸更小，采用壓電、電磁等驅(qū)動(dòng)方式，更易集成。但驅(qū)動(dòng)方式對(duì)器件性能影響較大。MEMS的轉(zhuǎn)動(dòng)角度較小，所以在測(cè)試大角度時(shí)，需要使用多個(gè)元件進(jìn)行拼接，也適用于車燈內(nèi)集成。圖5為MEMS式激光雷達(dá)示意圖。

圖5 MEMS式激光雷達(dá)示意圖

5）雙光楔。雙光楔方式使用兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的光楔偏折激光光路完成掃描。其特點(diǎn)是激光經(jīng)兩光楔后掃描軌跡比較復(fù)雜，點(diǎn)云均勻性不易控制。圖6為雙光楔式激光雷達(dá)示意圖。目前市場(chǎng)上使用此種技術(shù)路線的廠家較少。

圖6 雙光楔式激光雷達(dá)示意圖

此外，還有Flash和光學(xué)相控陣等方式。Flash方式使用激光器同時(shí)對(duì)整個(gè)測(cè)試區(qū)域或分區(qū)分時(shí)對(duì)測(cè)試區(qū)域打光，并使用陣列探測(cè)器接收光信號(hào)。光學(xué)相控陣（Optical Phased Arrays，OPA）類似于相控陣?yán)走_(dá)，沒有移動(dòng)的掃描部件，而是通過控制陣列光源的位相實(shí)現(xiàn)不同方向的探測(cè)。目前由于光源或系統(tǒng)限制，兩種方式仍有技術(shù)問題需要解決，所以相應(yīng)的車載激光雷達(dá)較為少見。

2 車燈集成激光雷達(dá)的討論

目前車載激光雷達(dá)常放在車頂，對(duì)汽車外形影響較大，也會(huì)增加風(fēng)阻。放在標(biāo)牌位置，一方面標(biāo)牌圖案會(huì)對(duì)激光雷達(dá)光路造成影響，另一方面，具有發(fā)光功能的標(biāo)牌廣泛使用散射勻光材料，增加了應(yīng)用難度。如果將激光雷達(dá)放在格柵位置，一般需要改變?cè)懈駯旁煨?。保險(xiǎn)杠附近與地面距離小，與地面上物體（石子、異物等）接觸的概率較高，且底部灰塵也更大，激光雷達(dá)窗口更容易臟污。如果考慮汽車加裝激光雷達(dá)而不至于引起變化過多的造型變化，車燈是激光雷達(dá)一個(gè)相對(duì)合理的安裝位置。下面將從幾個(gè)方面對(duì)車載激光雷達(dá)內(nèi)置于車燈中所面臨的問題進(jìn)行討論。

2.1 激光雷達(dá)安裝位置

激光雷達(dá)在豎直方向上的測(cè)試范圍一般在±20°以內(nèi)，與遠(yuǎn)近光模組發(fā)光范圍相當(dāng)，所以飾圈開口高度可參照常規(guī)光學(xué)模組，不需特殊調(diào)整。安裝深度D與飾圈高度應(yīng)滿足發(fā)射角度的簡(jiǎn)單的三角換算，見公式（3）~（5）。安裝位置示意見圖7。

圖7 豎直方向安裝位置示意圖

在水平方向上，除了需要考慮避免光路遮擋外，也需要依照造型考慮安裝位置。圖8為一種常見的造型：外側(cè)彎曲較大，內(nèi)側(cè)較平緩。a、b對(duì)應(yīng)外側(cè)和內(nèi)側(cè)兩個(gè)安裝位置。能看到a位置光線與外透鏡的夾角由于造型傾斜，部分角度較大，菲涅爾損耗也更大。當(dāng)外透鏡表面品質(zhì)較差時(shí)，容易發(fā)生散射，影響對(duì)應(yīng)區(qū)域的測(cè)試。傾斜安裝可以平衡部分角度過大的問題，并減少菲涅爾損耗。而對(duì)于比較平直的造型，內(nèi)側(cè)或外側(cè)的位置對(duì)光路的影響差異較小。因而對(duì)比較陡峭的造型，需要考慮是否可以傾斜安裝或調(diào)整設(shè)計(jì)，必要時(shí)增加相對(duì)平直的透光區(qū)域。

圖8 水平方向安裝位置示意圖

車燈內(nèi)部集成的水平調(diào)整機(jī)構(gòu)可以根據(jù)汽車的實(shí)際傾斜狀態(tài)對(duì)車燈照準(zhǔn)位置做出相應(yīng)調(diào)整。如果激光雷達(dá)能夠共用水平調(diào)整機(jī)構(gòu)，也將有助于動(dòng)態(tài)修正測(cè)試范圍，提高測(cè)試精度。因而在激光雷達(dá)性能可接受范圍，將其排布在近遠(yuǎn)光附近并整合水平調(diào)整機(jī)構(gòu)也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。當(dāng)然，在設(shè)計(jì)支架時(shí)應(yīng)考慮適當(dāng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，減少增加激光雷達(dá)后的失效風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 外透鏡對(duì)激光雷達(dá)的影響

外透鏡是車燈的透光面，也是各部件的保護(hù)面罩。目前前照燈的外透鏡多是透明塑料，常見的前照燈外透鏡使用聚碳酸酯（PC）材 料。激 光 雷 達(dá) 常 用 波長(zhǎng)：905nm、940nm和1550nm，其透過率與可見光差異不大。2~3mm的材料透過率均在90%左右，對(duì)激光雷達(dá)能量吸收較小。如果不考慮早期部分車燈通過調(diào)整外透鏡厚度補(bǔ)償光程差，車燈外透鏡一般是相互平行的兩個(gè)曲面。類似平行平板，外透鏡會(huì)使激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)光路發(fā)生偏移，還引入一定的像差。普通的平行平板不會(huì)影響激光傳播角度，但外透鏡的自由造型曲面，會(huì)對(duì)激光雷達(dá)原始發(fā)射及接收光路造成一定影響。圖9為外透鏡曲面的簡(jiǎn)化模型，假設(shè)透鏡厚度為t，外表面的曲率 半 徑 為r，光線入射角度為i，內(nèi)表面的出射角度為i＇，透鏡外表面界面入射角和出射角分別為i＇和i，透鏡的折射率為n，空氣折射率為n＇。光線在經(jīng)過外透鏡后光 路發(fā)生偏移，出射 角偏離入射角為Δ=i+i＇-i＇-i，依照斯涅爾法則有如下關(guān)系：

圖9 光路簡(jiǎn)化示意圖

容易得到，在不同的曲率半徑下，夾角隨著入射角度增大而增大。在入射角度固定時(shí)，夾角也會(huì)隨著曲率半徑的增加而減小。目前市場(chǎng)上激光雷達(dá)的精度在0.1°左右，所以增加外透鏡后需要適當(dāng)考慮光學(xué)補(bǔ)償或使用軟件修正，尤其在曲率半徑較小的位置。圖10為偏移角度與不同入射角度和外透鏡曲率半徑的變化關(guān)系。

圖10 偏移角度與不同入射角度和外透鏡曲率半徑的變化關(guān)系（PC材料，t=2.5mm）

汽車信號(hào)燈一般有可見角度的法規(guī)要求，即在一定角度范圍內(nèi)滿足一定的光強(qiáng)需求。雖然最新的法規(guī)已經(jīng)將可見角度調(diào)整到更加合理的范圍，降低了位置燈和轉(zhuǎn)向燈可見角度的設(shè)計(jì)難度，但由于造型或系統(tǒng)排布需求，仍然可能會(huì)在外透鏡上增加光學(xué)花紋以滿足法規(guī)要求，這將會(huì)對(duì)激光雷達(dá)光路產(chǎn)生很大影響，所以在激光雷達(dá)探測(cè)角度范圍避免在外透鏡增加光學(xué)結(jié)構(gòu)也十分必要?？梢娊嵌炔蛔愕膯栴}，除了可以通過優(yōu)化對(duì)應(yīng)功能原始光學(xué)設(shè)計(jì)外，也可以在必要時(shí)增加光學(xué)元件，比如在增加的內(nèi)透鏡上添加花紋解決。此外，在外透鏡模具設(shè)計(jì)時(shí)，也應(yīng)將分模線避開激光雷達(dá)透光區(qū)域。

激光窗口的臟污會(huì)給激光雷達(dá)的測(cè)試精度帶來影響，所以部分激光雷達(dá)廠商會(huì)增加窗口清洗裝置。而激光雷達(dá)集成在車燈內(nèi)，外透鏡臟污同樣會(huì)影響測(cè)試精度。實(shí)際上，依照法規(guī)，當(dāng)近光光源超過2000lm時(shí)，需要配置清洗裝置，以保證前照燈在外透鏡污染時(shí)不影響其性能。而為了給客戶更好的駕駛體驗(yàn)，主機(jī)廠對(duì)路面照度也逐漸提出了更高的要求，這就需要路面有更高光通量。但出于成本因素考慮，在設(shè)計(jì)近光時(shí)，一般會(huì)盡可能提高系統(tǒng)效率，而避免光源高于光通量限制，這也提高了設(shè)計(jì)難度。如果整合車燈和激光雷達(dá)的清洗裝置，也可以適當(dāng)提高光通量以獲得更好的路面照明效果，從而降低設(shè)計(jì)難度。

2.3 集成激光雷達(dá)的散熱和空間問題

高溫會(huì)增加車燈內(nèi)的材料和器件的失效風(fēng)險(xiǎn)，降低可靠性，也會(huì)造成激光器波長(zhǎng)漂移影響激光雷達(dá)測(cè)試范圍。而車燈使用的燈泡或LED光源在工作中也會(huì)產(chǎn)生大量熱，如果考慮前驅(qū)汽車，車燈距發(fā)動(dòng)機(jī)比較近，車燈內(nèi)溫度在發(fā)動(dòng)機(jī)工作后會(huì)更高，70~80℃的環(huán)境溫度就可能使工作中的LED或LD超過結(jié)溫限值而失效，所以車燈設(shè)計(jì)過程中關(guān)注散熱情況十分必要。

出于成本和可靠性等因素考慮，車燈內(nèi)低功率器件一般采用被動(dòng)散熱，而大功率的器件會(huì)避免集中LED排布，采用被動(dòng)散熱或使用風(fēng)扇進(jìn)行主動(dòng)散熱。車載激光雷達(dá)由于分辨率或技術(shù)路線差異，其系統(tǒng)平均功率在幾瓦到幾十瓦的范圍，與部分車燈功能功率相當(dāng)。雖然其使用占空比較低的脈沖激光器，但幾百瓦到千瓦的瞬間熱功率散熱仍需被重視。散熱器安裝在燈殼外部將增加空氣對(duì)流，有助于散熱，但固定的安裝位置會(huì)給整合近光的水平調(diào)整機(jī)構(gòu)帶來困難。在燈殼內(nèi)，激光雷達(dá)距外透鏡和周邊殼體距離不同，氣流分布和散熱效果也會(huì)不同，所以也需要依照具體器件散射需求采用合適的散熱方式。在不同工況下設(shè)置不同的功率輸出也是一種散熱管理方式。實(shí)際上，汽車在行駛過程中，對(duì)遠(yuǎn)距離環(huán)境感知也會(huì)隨車速增加而增加。車燈周圍空氣流動(dòng)也會(huì)加快，有利于降低環(huán)境溫度，也有利于激光雷達(dá)高性能工作；而在低速或駐車時(shí)，對(duì)遠(yuǎn)距離感知需求降低，車燈周圍風(fēng)速也會(huì)減慢，冷卻效果下降，可以考慮降功率工作以保護(hù)器件。此外，使用波長(zhǎng)對(duì)溫度變化不敏感的激光器對(duì)穩(wěn)定系統(tǒng)性能也有幫助。在太陽聚焦方面，激光雷達(dá)一般使用帶通濾波片來減少環(huán)境光對(duì)系統(tǒng)的影響，允許通過的波長(zhǎng)范圍為幾十納米，可能造成的聚焦效應(yīng)影響較小。

在原有造型中加入激光雷達(dá)這一新的部件，需要在各個(gè)車燈功能的位置和空間做整體協(xié)調(diào)。前照燈燈體內(nèi)一般包括遠(yuǎn)近光、轉(zhuǎn)向燈、位置燈、晝間行駛燈、角燈或全天候燈，某些車型也會(huì)將霧燈、轉(zhuǎn)向、遠(yuǎn)近光、晝間行駛燈等功能安置在不同的燈體內(nèi)。如果主機(jī)廠考慮扁平的車燈設(shè)計(jì)以增加科技感，也會(huì)給激光雷達(dá)的尺寸提出更高的要求。使用遠(yuǎn)近光一體或與自適應(yīng)遠(yuǎn)光整合的近光模組，或?qū)⑥D(zhuǎn)向燈、位置燈和晝間行車燈三者共用光學(xué)元件都可以節(jié)省空間，必要時(shí)可以考慮使用多個(gè)燈體。適當(dāng)增加車燈燈體中的空間，不僅可以緩解車燈內(nèi)部空間過于緊湊的問題，也可以在外延空間使用更為平緩的外透鏡，減少對(duì)激光雷達(dá)性能的影響。最后，在車燈的設(shè)計(jì)過程中，由于造型或光學(xué)功能需求，空間結(jié)構(gòu)和外透鏡造型會(huì)有調(diào)整和優(yōu)化，激光雷達(dá)和燈廠間的相互協(xié)調(diào)也尤為重要。

3 總結(jié)

汽車車燈是激光雷達(dá)比較合理的安裝位置，對(duì)整車造型的影響較小，也增加了外透鏡的保護(hù)，但燈內(nèi)的排布需要依照具體造型考慮適合的位置，過于傾斜的車燈造型需要適當(dāng)調(diào)整激光雷達(dá)的安裝角度平衡菲涅爾損耗。車燈外透鏡對(duì)905nm、940nm、1550nm波長(zhǎng)透過率高，對(duì)激光光路偏移角度的影響需要適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)補(bǔ)償或軟件修正。清洗裝置與車燈的整合，有助于降低前照燈光學(xué)設(shè)計(jì)的難度，進(jìn)而提高路面照明效果。激光雷達(dá)整合到近遠(yuǎn)光的水平調(diào)整機(jī)構(gòu)將有助于動(dòng)態(tài)修正測(cè)試范圍，提高測(cè)試精度。激光雷達(dá)與車燈內(nèi)各功能光源功率相當(dāng)，可考慮不同工況下設(shè)置不同功率輸出的熱管理方式。適當(dāng)增加車燈燈體的空間，不僅會(huì)降低整合過程中的難度，也會(huì)降低對(duì)激光雷達(dá)性能的影響。