面向車載導(dǎo)航激光雷達(dá)的光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計*

徐子奇，王美嬌，鞠秀晶

(長春電子科技學(xué)院，吉林 長春 130114)

0 引 言

智能導(dǎo)航系統(tǒng)[1]是未來汽車智能化的重要目標(biāo)，現(xiàn)有超聲雷達(dá)等避障設(shè)備隨著路況環(huán)境和應(yīng)用環(huán)境的升級很難再滿足要求，尤其是不能進(jìn)行有效目標(biāo)識別的前提下，往往無法實(shí)現(xiàn)智能導(dǎo)航的目標(biāo)。

激光雷達(dá)技術(shù)是國際公認(rèn)的智能駕駛技術(shù)基礎(chǔ)[2]，為了獲取更好的測試效果，激光雷達(dá)的光學(xué)系統(tǒng)成為了一項(xiàng)研究熱點(diǎn)[3]。激光雷達(dá)回波信號的接收有牛頓式望遠(yuǎn)鏡[4]、格里格拉式望遠(yuǎn)鏡[5]、卡塞格林式望遠(yuǎn)鏡[6]以及伽利略式望遠(yuǎn)鏡[7]。牛頓式結(jié)構(gòu)最簡單，且成本低，但由于其探測器與結(jié)構(gòu)不同軸，對系統(tǒng)穩(wěn)定性要求高；格里格拉式望遠(yuǎn)鏡的成像效果較好，但由于需要采用非球面加工，工藝復(fù)雜成本高；卡塞格林式望遠(yuǎn)鏡采用2次成像的方式擴(kuò)大了系統(tǒng)的接收視場范圍，有利于提升成像質(zhì)量，但反射式結(jié)構(gòu)設(shè)計會使部分回波光強(qiáng)受到損失；伽利略式望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)簡單、體積小，雖然成像質(zhì)量不高，但在本系統(tǒng)應(yīng)用中主要以獲取目標(biāo)位置點(diǎn)能量強(qiáng)度為主，故可以忽略成像誤差造成的不足，并且采用準(zhǔn)直聚焦的方式捕獲光斑能量成為主要目標(biāo)。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于牛頓式望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星激光雷達(dá)系統(tǒng)，接收孔徑達(dá)20 cm，光學(xué)接收面到探測器距離約35 cm，具有較好的測試視場。Velodyne公司推出配合小型化光學(xué)接收模塊，其總體積僅有常規(guī)激光雷達(dá)的1/5，其光學(xué)結(jié)構(gòu)采用了最簡單的伽利略望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，并通過陣列組合實(shí)現(xiàn)視場覆蓋[9]。Quanergy公司在車載激光雷達(dá)中采用了光學(xué)相控陣，其M8—1系列產(chǎn)品具有很好的三維目標(biāo)識別能力[10]。中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所[11]設(shè)計研制的AML—1型車載激光雷達(dá)中采用了直徑300 mm的牛頓型望遠(yuǎn)鏡，測試視場0.2～1.6 mrad。哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉滿林[12]研究的掃描式激光雷達(dá)采用了開普勒型望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，并配合光纖束實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)獲取。

之前的研究重點(diǎn)是遠(yuǎn)距離的目標(biāo)識別，而本文針對近場(工作距離100 m以下)條件及車載狀態(tài)干擾的情況，提出了對激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。

1 系統(tǒng)設(shè)計

基于激光雷達(dá)三維點(diǎn)云的智能導(dǎo)航系統(tǒng)主要包括4部分：發(fā)射模塊、接收模塊、采集模塊與處理模塊，其原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能導(dǎo)航中激光雷達(dá)測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

發(fā)射模塊包括方位控制、激光器和準(zhǔn)直器。方位控制通過調(diào)整轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)使激光器朝向需要獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的方向；接收模塊包括光闌、準(zhǔn)直及聚焦部分，通過光闌控制視場范圍，再通過準(zhǔn)直聚焦是反射光匯聚在雪崩光電二極管(aralanche photo diode,APD)傳感器[13]上。采集模塊包括濾波整形與APD傳感器，完成回波光信號的采集與濾波降噪。處理模塊由PC機(jī)完成數(shù)據(jù)處理，最終將相應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行重建。

2 工作機(jī)理

2.1 三角法測距

因?yàn)楸疚募す饫走_(dá)擬應(yīng)用于車載三維導(dǎo)航領(lǐng)域[14,15]，故考慮其測試距離范圍與時間響應(yīng)要求的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)采用三角法測距方式。設(shè)激光器光軸與傳感器APD光軸的距離為L，系統(tǒng)焦距為f，則像面上任意點(diǎn)x在目標(biāo)移動后兩個測量值之間的差為Δx，則有函數(shù)

(1)

式中z為目標(biāo)到測試系統(tǒng)的距離，z0為初始距離。則z可以寫成

(2)

可見，通過三角法計算出所有測試點(diǎn)的距離后，就能構(gòu)成待測區(qū)域的點(diǎn)云集合，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識別，為避障及路徑規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2 光學(xué)系統(tǒng)

為了提高基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的目標(biāo)識別精度，研究了適用于本文設(shè)計需求的光學(xué)接收發(fā)射模塊，在基模條件下，傳輸光束的高斯表達(dá)[16]有

(3)

式中ω(z)和ω0分別為光束直徑和其束腰位置，q0為共焦位置參數(shù)，R(z)為曲率半徑，φ(z)為相位，k為波矢量。

采用望遠(yuǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)激光擴(kuò)束準(zhǔn)直，利用壓縮發(fā)散角的方式集中能力，從而實(shí)現(xiàn)校正波面的效果，其擴(kuò)束比滿足

ω2q0=fω1

(4)

式中ω1和ω2分別為入射與出射時的光波束腰，f為焦距，q0為共焦位置參數(shù)。故提高擴(kuò)束比可以通過增大焦距實(shí)現(xiàn)，但為了避免大幅增加光學(xué)系統(tǒng)長度，故采用雙透鏡組合的方式，第一片采用縮束的同時第二片完成擴(kuò)束作用，有

ω2=(f2/f1)·ω1

(5)

3 光學(xué)設(shè)計與仿真分析

3.1 發(fā)射模塊

發(fā)射模塊需要將光源出射光準(zhǔn)直擴(kuò)束，并降低發(fā)散角。由于車載應(yīng)用為了減小光學(xué)系統(tǒng)的體積，并且避免因共焦而導(dǎo)致能量過于集中，故設(shè)計了倒置型伽利略望遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)。其主要參數(shù)包括中心波長1 064 nm，激光光斑的直徑為8.0 mm，擴(kuò)束能力為8倍，通過ZAMAX仿真其結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 發(fā)射模塊設(shè)計

發(fā)射模塊由2組伽利略系統(tǒng)構(gòu)成，第一組實(shí)現(xiàn)4 倍率擴(kuò)束，使光束擴(kuò)束至φ32 mm，然后再經(jīng)過第二組2倍率擴(kuò)束，最終達(dá)到φ64 mm。在保證8倍率擴(kuò)束的基礎(chǔ)上完成發(fā)射模塊光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化。

3.2 接收與準(zhǔn)直模塊

接收部分為了獲取盡可能多的光能量，從而提高APD上的響應(yīng)強(qiáng)度，增大信噪比。其光學(xué)特點(diǎn)為大孔徑，故重點(diǎn)對系統(tǒng)球差進(jìn)行校正。激光雷達(dá)的測試范圍與信噪比也均受到回波強(qiáng)度的影響，故接收部分的入瞳直徑可以在系統(tǒng)允許范圍內(nèi)取最大，測試過程中采用40 mm。APD感光面為400 μm，為了保證接收光有效實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，聚焦后光斑直徑應(yīng)小于感光面直徑。為了進(jìn)一步保證車載應(yīng)用中對體積的要求，相對孔徑選擇為1/1.2，則其焦距有48 mm，光學(xué)系統(tǒng)總長為65.46 mm，材料為BK7。在此技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，設(shè)計透鏡的聚焦參數(shù)如表1所示，其輸出圖與像差如圖3所示。

表1 優(yōu)化前聚焦透鏡參數(shù)

圖3 縱向像差曲線及點(diǎn)列圖

采用單透鏡雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是光斑聚焦效果差，其球差效應(yīng)會造成能量損失，縱向像差結(jié)果如圖3(a)；當(dāng)孔徑進(jìn)一步增大時，球差也會更大，全孔徑位置上其值達(dá)到最大值-13.5 mm，如圖3(b)。其點(diǎn)列圖可以得到光斑均方根的半徑值為4.25 mm，遠(yuǎn)大于系統(tǒng)40 mm孔徑的設(shè)計要求，故需要進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

為了在保證系統(tǒng)體積的基礎(chǔ)上減小光斑直徑，采用非球面設(shè)計，改善其能量分布狀態(tài)，并且保證原有的透過性能。通過仿真分析可知，雙凸透鏡中的后一級球面對球差貢獻(xiàn)更大，故針對第二級球面進(jìn)行優(yōu)化。定義其曲面矢高函數(shù)在有

(6)

式中c為曲率，r為透鏡半徑，k為曲面系數(shù)。

通過調(diào)節(jié)k的值可以對面型進(jìn)行設(shè)置，優(yōu)化后的系數(shù)如表2所示，第一面采用平面，而第二面采用非球面。優(yōu)化后的縱向像差及點(diǎn)列圖如圖4所示。

表2 優(yōu)化后聚焦透鏡參數(shù)

圖4 優(yōu)化后縱向像差曲線及點(diǎn)列圖

如圖4(a)可知，經(jīng)過優(yōu)化后接收系統(tǒng)對應(yīng)的縱向像差得到很大改善，剩余球差最大值只有1.0 μm。如圖4(b)可知，光斑能量集中程度更好了，其均方根半徑低至0.23 μm，光斑有效直徑為0.37 mm以內(nèi)，滿足0.4 mm的系統(tǒng)設(shè)計要求和技術(shù)指標(biāo)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證能量符合設(shè)計要求，對90.0 %以上能量的光斑范圍進(jìn)行分析，包圍圓仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 能量分布曲線

4 實(shí) 驗(yàn)

4.1 測試系統(tǒng)搭建

實(shí)驗(yàn)中將優(yōu)化后的透鏡組封裝在一起，并與APD光電傳感器對接，完成目標(biāo)區(qū)域的激光回波信號采集，測試數(shù)據(jù)與優(yōu)化前光學(xué)系統(tǒng)得到的光斑結(jié)果進(jìn)行對比，光學(xué)成像系統(tǒng)框圖與系統(tǒng)實(shí)物如圖6所示。

圖6 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實(shí)物

4.2 光斑優(yōu)化結(jié)果對比

在獲取目標(biāo)回波光強(qiáng)信息前，首先，采用二維CMOS傳感器放置于APD探測器光敏面位置測試光斑優(yōu)化效果，在確認(rèn)光斑在該位置上具有最佳聚焦效果后再采用APD探測器。采用APD點(diǎn)源響應(yīng)速度快，適用于快速掃描，而調(diào)整APD光敏面上光斑尺寸及位置采用CMOS實(shí)現(xiàn)。

由于出射激光的發(fā)射角較大，呈橢圓形光斑，會對測試結(jié)果造成影響，降低測試精度，并且能量的分散不利于系統(tǒng)信噪比的提升，故采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)后對光束進(jìn)行了整形，目的是減小光斑直徑。結(jié)合本文擬應(yīng)用與車載激光雷達(dá)，光學(xué)系統(tǒng)不易尺寸過大，故采用2個正交的圓柱透鏡完成光斑獲取，并且在光束長軸與短軸采用不同的焦距比使光斑橫縱尺度相近。實(shí)驗(yàn)中，準(zhǔn)直透鏡材料為K9，其折射率為1.521 2，優(yōu)化前后的光斑效果如圖7所示。

圖7 優(yōu)化前后光斑效果對比

測量光斑直徑可知，優(yōu)化前后分別為4.56 mm(長軸)和0.39 mm，與仿真結(jié)果基本一致。由此可見，優(yōu)化后光斑的能量更集中，并且光斑形狀接近圓形，與APD探測器更匹配。

4.3 目標(biāo)位置精度分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證采用本結(jié)構(gòu)設(shè)計有助于提升基于三維點(diǎn)云獲取的目標(biāo)識別能力，采用同一個目標(biāo)進(jìn)行對比測試，以PandarXT激光雷達(dá)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)值，分別對優(yōu)化前與優(yōu)化后的特征點(diǎn)位置測量結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如表3所示。為了保證兩個測試的點(diǎn)云具有可比性，實(shí)驗(yàn)中，在可測試區(qū)域中放置了標(biāo)定靶標(biāo)立方體(實(shí)物如圖6(a)中所示，邊長20 cm的正方體，每個面上黏貼5個靶標(biāo)點(diǎn)，測試視場中可以獲得3個相互垂直平面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，用于完成兩測點(diǎn)云數(shù)據(jù)對齊)，從而在每次點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取過程中均可以得到一組標(biāo)準(zhǔn)靶標(biāo)的點(diǎn)云集合，前后2次測試的點(diǎn)云都統(tǒng)一在該坐標(biāo)系下就能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的對比了。

表3 特征點(diǎn)位置坐標(biāo)測試結(jié)果對比

由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)量很大，無法全部列出，取其中3個特征點(diǎn)(分別在X,Y,Z軸方向具有最大值)進(jìn)行對比可見，優(yōu)化前點(diǎn)云位置相對誤差范圍很大，為5.0 %～19.0 %，平均誤差為9.7 %，而優(yōu)化后的測試數(shù)據(jù)誤差范圍大幅降低，為1.0 %～5.0 %，平均誤差為2.9 %。驗(yàn)證了優(yōu)化對系統(tǒng)目標(biāo)位置精度具有改善作用。

5 結(jié) 論

針對智能車載激光雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)中光學(xué)系統(tǒng)尺寸與準(zhǔn)直聚焦效果之間矛盾問題，提出了采用光學(xué)設(shè)計參數(shù)優(yōu)化的方法，設(shè)計了與之匹配的非球面面形結(jié)構(gòu)。通過仿真分析對其縱向像差曲線和點(diǎn)列圖進(jìn)行了對比，優(yōu)化前后的像差及點(diǎn)列分布得到了很好的修正。實(shí)驗(yàn)對比了優(yōu)化前后的光斑半徑，并且基于此完成了目標(biāo)特征點(diǎn)位置的計算，結(jié)果顯示，采用本優(yōu)化設(shè)計對光斑半徑及位置解算精度都具有很好的提升效果。