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Cepton激光雷达运行机理揭秘 嵌入车灯助力自动驾驶

导读: 很多LiDAR制造商使用反射镜或MEMS微镜来偏转激光束或投射激光束,而位于美国硅谷的3D LiDAR解决方案供应商——Cepton拥有自己称之为MMT(micro-motion微动)的专利技术。

Cepton激光雷达运行机理揭秘 嵌入车灯助推自动驾驶

图1 Cepton最新推出的车用Vista LiDAR(左)和无人机应用的SORA 200 LiDAR(右)

Cepton“微动技术”一直很神秘

从本质上来说,LiDAR(激光雷达)最擅长的就是测距。因此,自动驾驶汽车制造商通常需要将其与摄像头和毫米波雷达配合使用,以更完整地把握车辆周围环境的三维信息。

LiDAR是一种主动传感器,而不是像摄像头那样依靠环境光的被动传感器。LiDAR通过发射激光束,再接收从远处物体反射回来的光束,通过测量光束的飞行时间而获得远处物体的距离信息。不过,激光束非常窄,并且它们不会发生散射(这是重点),因此单束LiDAR脉冲只能感知一个非常小的物体。也即它可能能够在50步开外探测一枚一角硬币,但无法探测一个高大的建筑物。

因此,为了实际应用,LiDAR传感器必须进行某种形式的“扫描”。这最终成为众多LiDAR制造商之间的一个差异化因素。大多数LiDAR传感器会连接到一个旋转它们的驱动马达,一旦激光发射与电机的运动同步,我们就可以知道激光指向的位置,并将前方环境的整体成像合成在一起。因此,LiDAR的视场完全取决于电机转动它的角度。目前,很多LiDAR制造商使用反射镜或MEMS微镜来偏转激光束或投射激光束,而位于美国硅谷的3D LiDAR解决方案供应商——Cepton拥有自己称之为MMT(micro-motion微动)的专利技术。

从Cepton最新公开的美国专利,管窥其“微动技术”

Cepton激光雷达运行机理揭秘 嵌入车灯助推自动驾驶

图2 Cepton首席执行官裴军

Cepton首席执行官Jun Pei(裴军)一直不愿分享太多有关其微动技术如何工作的细节,只是说它有点像扬声器中的扬声器纸盆(cone)。也就是说,Cepton的LiDAR阵列会运动,但没有使用反射镜或驱动马达。因此,Cepton的LiDAR传感器避免了反射镜不可避免的光损失,同时也消除了任何可能的机械磨损。裴军表示,这是一种无摩擦的系统,它可靠、成本经济且易于制造。

据麦姆斯咨询报道,近日,美国专利商标局公开了一件Cepton申请的关于LiDAR系统扫描装置和方法的发明专利。我们可以从中大概了解Cepton扫描装置的结构和运行机理。

Cepton激光雷达运行机理揭秘 嵌入车灯助推自动驾驶

图3 Cepton用于3D成像的LiDAR传感器(100)基本结构

图3示意了3D成像LiDAR传感器(100)的基本结构。LiDAR传感器包括固定的发射透镜130和接收透镜140。以及基本上设置在发射透镜130后焦平面上的激光源110a~110b。激光源110a用于发射激光脉冲120。激光脉冲经发射透镜130准直并射向LiDAR传感器前方的物体150。

然后,从物体反射的激光脉冲122,射向接收透镜140。通过接收透镜140聚焦到相应的光电探测器160a~160b,光电探测器160a~160b基本上设置在接收透镜140的焦平面上。

最后,通过耦合到激光源110a和光电检测器160a的处理器190,确定激光脉冲120从发射到被探测的飞行时间(ToF),进而计算获得LiDAR传感器和物体之间的距离。

Cepton激光雷达运行机理揭秘 嵌入车灯助推自动驾驶

图4 用于实现LiDAR传感器二维扫描的挠曲机构(200)

图4示意了可用于图3所示LiDAR传感器中激光源(110a~110d)和光电探测器(160a~160d)二维扫描的挠曲机构(200)。如图4所示,四个激光源110a~110d和四个光电探测器160a~160d安装在同一刚性平台230上。刚性平台230通过两个挠曲元件220a和220b联接到第一基板210。挠曲元件220a和220b可以通过使用单个执行器向左或向右偏转(例如音圈250和永磁体260,或者通过压电执行器等方式)。第一基板210可以通过两个挠曲元件270a和270b联接到第二基板212。挠曲元件270a和270b可以通过使用单个执行器向前或向后偏转(例如音圈252和永磁体262,或者通过压电执行器等方式)。

因此,通过挠曲元件220a和220b的左右移动,以及挠曲元件270a和270b的前后运动,激光源110a~110d和光电探测器160a~160d可以分别在发射透镜130和接收透镜140的焦平面中进行二维扫描。

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