【有車一族】汽車的入射光瞳是什麼道路行駛中鐳射雷達很容易被

入射光瞳是什麼

道路行駛中鐳射雷達（LiDAR）很容易被汙染物遮蔽

車輛在雨雪、多塵的天氣行駛時，前擋風玻璃以及前大燈都會覆上雨雪、塵土或者其它顆粒物。另外，在夏季夜間跑過高速公路的司機都很瞭解，跑完高速車頭都會佈滿各種昆蟲的屍體。這些遮蔽物會阻擋司機的視線，以及前大燈的照明效果。幸好，現在的汽車都配有雨刮器，高階車型還配有大燈清洗系統。當雨雪、灰塵、昆蟲屍體或其它顆粒物遮蔽鐳射雷達視窗時，這些環境遮蔽物勢必也會阻擋或偏轉鐳射束，從而降低感測器的“能見度”。那麼，這些影響有多大呢？

多光束Flash鐳射雷達創新廠商Ouster分析了鐳射雷達光學孔徑，並透過現場試驗，分享瞭如何利用更大的光學孔徑，最小化遮蔽物的影響。

清洗後沾滿水滴的Ouster鐳射雷達OS1，水滴對光線有折射作用

什麼是光學孔徑？為什麼它很重要？

相機鏡頭可以看成鐳射雷達鏡頭的簡化版本，我們可以先從相機鏡頭獲得一些直觀感受。在相機中，光圈是指控制從鏡頭系統到影象感測器進光量的開口。光圈通常位於鏡頭內部的深處，但開啟和關閉光圈也會影響前透鏡表面上光收集區域的大小。這被稱為“前透鏡光圈”，在光學設計圈中也稱為“入射光瞳”，在本文中，光學孔徑指的是前透鏡光圈，而不是深處鏡頭內部的機械光圈。

光學孔徑的大小會影響遮蔽物對影象感測器的影響。如果一個不透明的遮蔽物（如泥巴或蟲子）大於光學孔徑，那麼它會完全遮擋光圈，從而使相機“失明”。如果光學孔徑大於遮蔽物，那麼入射光只會部分衰減，只會對成像顯示產生部分影響。

相機鏡頭被部分遮蔽，相對較大的光圈可以透過光線，對成像產生部分影響

在Ouster的鐳射雷達感測器中，透鏡系統對VCSEL鐳射器進行準直和擴充套件。當鐳射束從透鏡系統射出時，光學孔徑與鐳射束的直徑直接相關。而在接收端，光的傳播方向相反，但和相機一樣，它也有一個光學孔徑，光在聚焦到探測器陣列之前會透過。

與相機鏡頭類似，光學孔徑較小的鐳射雷達感測器對遮蔽物的彈性較小。不透明或有折射影響的遮蔽物（如雨滴，可以偏轉鐳射束），會使鐳射雷達訊號衰減，從而降低畫素的捕捉範圍。而當光學孔徑較大時，訊號強度只會部分衰減而不是完全阻擋，對點雲的影響較小。

小光學孔徑更容易受到遮蔽物的影響

也就是說，對於揚塵、雨雪、泥汙等其它遮蔽物會出現的行車環境，小光學孔徑對於所有相機或鐳射雷達來說都會有影響。

昆蟲屍體問題現場測試！

對此，Ouster進行了一系列的測試，以證明OS1的大光學孔徑是如何降低較大遮蔽物（如大昆蟲屍體）的影響。

Ouster的測試裝置包括一個OS1-64鐳射雷達感測器，和一個經過校準的10%反射率的朗伯表面。為了測試效能，Ouster採用乾淨的感測器視窗收集了鐳射脈衝的返回強度。然後，用直徑為5毫米的“昆蟲”貼在面向朗伯表面的感測器視窗上，再次測量鐳射脈衝的返回強度。將這兩個值進行比較，以確定“昆蟲”對訊號強度的影響。

為了測量不同範圍內的強度衰減，Ouster將鐳射雷達感測器放在不同的距離重複了測試過程。

Ouster鐳射雷達OS1和經過校準的10%反射率朗伯表面，並在6米、12米和18米距離處進行了重複試驗

Ouster使用貼紙來模擬遮蔽物對鐳射雷達效能的影響

透過Ouster Studio軟體，在點雲圖中突出顯示朗伯表面及捕捉的強度值

現場試驗結果

縱座標為強度值，橫座標為不同的測試距離（6米、12米和18米）

上表計算了不同測試距離時，遮蔽物對強度衰減及預期探測距離的影響

從測試結果來看，即使OS1-64貼上了不透明的遮蔽物，感測器仍然具有探測能力，不過捕捉強度有所降低。這也是可以理解的，因為一個5毫米的遮蔽物只能遮擋一小部分光學孔徑，但是會使光子的有效探測距離減少約15%。Ouster的大光學孔徑可以確保足夠的光束繞過遮蔽物進入到探測器陣列，因此對最大探測距離的影響相對較小。

MEMS微鏡的問題

相比之下，略大些的昆蟲就可以完全遮擋MEMS微鏡較小的光學孔徑

MEMS鐳射雷達有一個突出的缺點，其振盪微鏡元件的光學孔徑只有1~4毫米。相比之下，Ouster的多光束Flash鐳射雷達的光學孔徑直徑可以達到2~10倍，面積則能達到4~100倍，因此，對於遮蔽物的魯棒性也同樣更高。

MEMS鐳射雷達系統透過反射鏡來實現鐳射束的掃描，其光學孔徑主要受反射鏡的尺寸限制。直觀地說，加大反射鏡的尺寸是提高MEMS系統光學孔徑的一個簡單方法，不過，事實上，大尺寸MEMS反射鏡在快速振盪時存在一些原生問題，需要在視場、幀速率和可靠性之間做權衡，因此很少有製造商會這麼做。

Ouster將進一步擴大優勢

對於遮蔽物的魯棒性，在探測距離、解析度和視場等效能指標面前，往往會被忽視。但這些特性對於安全關鍵性應用往往非常重要，一隻甲蟲就可能帶來很大麻煩。Ouster在鐳射雷達設計之初就充分考慮到了這一點，並且，最新的OS2進一步提高了這種魯棒性。OS2的光學孔徑達到了OS1的兩倍，對於遮蔽物的魯棒性更好，可以實現更遠距離的環境感知。敬請期待Ouster今年晚些時候的新品釋出！

文稿源自Ouster，麥姆斯諮詢編譯