光達類型

在各種可用的光達系統中，本文主要著重於窄脈衝飛時測距 (ToF) 方法。光達系統中的光束轉向有兩種主要類型：

• 機械光達使用高階光學元件和旋轉組件來產生寬廣（通常為 360 度）的 FOV。機械結構在寬廣的 FOV 上提供高訊號雜訊比 (SNR) ，但導致體積龐大（儘管尺寸也在縮小）。
• 固態光達沒有旋轉機械元件，且 FOV 較小，因此成本較低。透過在車輛的前方、後方和側面使用多個通道並融合其資料，可產生與機械光達相媲美的 FOV 。

固態光達有多種實作方法，包括：

• 微機電系統 (MEMS) 光達：MEMS 光達系統使用微小透鏡，其傾斜角度會在施加電壓等刺激時改變。實際上，MEMS 使用機電等效元件取代了機械掃描硬體。對於 MEMS 而言，決定接收訊號雜訊比的接收光收集孔徑通常非常小（幾公釐）。要在多個維度中移動雷射光束，需要級聯多個透鏡。這種對準過程並非易事，且一旦安裝，它很容易受到移動車輛中常見的衝擊和振動影響。MEMS 型系統的另一個潛在缺點是汽車規格從 -40°C 開始，這對於 MEMS 裝置來說可能是挑戰。
• 閃光燈光達：閃光燈光達操作與使用光學閃光燈的標準數位相機非常相似。在閃光燈光達中，單一大面積雷射脈衝可照亮前面的環境，而位於雷射附近的焦點平面光電偵測器陣列則可擷取背向散射的光線。偵測器擷取影像距離、位置和反射強度。由於與機械雷射掃描方法相比，此方法在單個影像中擷取整個場景，因此資料擷取速率要快得多。此外，由於整個影像是在單一閃光燈中擷取，因此此方法較免受可能造成影像失真的震動效應影響的影響。此方法的缺點是真實環境中存在反射器。逆向反射器會反射大部分光線，而回散射光線很少，實際上會使整個感測器失明並使其失效。此方法的另一個缺點是需要非常高的峰值雷射功率才能照亮整個場景並看得足夠遠。為了符合眼睛安全要求，閃光光達主要用於短距離到中距離偵測系統。
• 光學相位陣列 (OPA)：OPA 原理與相位陣列雷達相似。在 OPA 系統中，光學相位調變器控制穿過透鏡的光速。控制光速可以控制光波前形狀，如 圖 2 中所示。頂部光束未延遲，而中部和底部光束則以遞增的量延遲。這種現象有效地「引導」雷射光束指向不同的方向。類似的方法也可以引導回散射光朝向感測器，從而消除機械運動部件。
  圖 2 OPA：
• 頻率調變連續波 (FMCW) 光達：到目前為止列出的方法都是基於使用窄光脈衝的飛時測距 (ToF) 原理，而 FMCW 光達則使用相干方法，產生短暫的頻率調變雷射光頻擾。測量回傳頻擾的相位和頻率，讓系統能利用都卜勒原理同時測量距離和速度。儘管頻擾產生增加了複雜性，但 FMCW 方法的運算負載和光學元件更簡單。FMCW 系統所需的雷射功率遠低於脈衝飛時測距 (ToF) 系統所需的雷射功率，因此 FMCW 適用於超長距離感測應用。這類系統在霧、雨和雪等惡劣天氣條件下也表現良好。