了解激光测距传感器的原理及应用

激光测距传感器是先由激光二极管对准目标发射激光脉冲，经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。

激光传感器必须极其精确地测定传输时间，因为光速太快。要分辨出3ps的时间，这是对电子技术提出的过高要求，实现起来造价太高。但是如今的激光传感器巧妙地避开了这一障碍，利用一种简单的统计学原理，即平均法则实现了1mm的分辨率，并且能保证响应速度。

远距离激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离；LED白光测速仪成像在仪表内部集成电路芯片CCD上，CCD芯片性能稳定，工作寿命长，且基本不受工作环境和温度的影响。因此，LED白光测速仪测量精度有保证，性能稳定可靠。

激光测距传感器的应用

汽车防撞探测器：一般来说，大多数现有汽车碰撞预防系统的激光测距传感器使用激光光束以不接触方式用于识别汽车在前或者在后形势的目标汽车之间的距离，当汽车间距小于预定安全距离时，汽车防碰撞系统对汽车进行紧急刹车，或者对司机发出报警，或者综合目标汽车速度、车距、汽车制动距离、响应时间等对汽车行驶进行即时的判断和响应，可以大量的减少行车事故。在高速公路上使用，其优点更加明显。

车流量监控：使用方式一般固定到高速或者重要路口的龙门架上，激光发射和接收垂直地面向下，对准一条车道的中间位置，当有车辆通行时，激光测距传感器能实时输出所测得的距离值的相对改变值，进而描绘出所测车的轮廓。这种测量方式一般使用测距范围小于30米即可，且要求激光测距速率比较高，一般要求能达到100赫兹就可以了。这对于在重要路段监控可以达到很好的效果，能够区分各种车型，对车身高度扫描的采样率可以达到10厘米一个点(在40Km/h时，采样率为11厘米一个点)。对车流限高，限长，车辆分型等都能实时分辨，并能快速输出结果。

无人机：着机器人(Robot)、无人机(Drone)、无人搬运车、自动驾驶等新概念系统的兴起，连带刺激测距与避障(Obstacle Avoidance)技术需求。其中测距为避障的基础，并有多种技术可以实现测距，包含无线射频(Radio Frequency；RF)、超音波(Ultrasonic)、红外线(Infrared)以及激光/雷射(Laser)等。这些技术各有其优缺点，且成本也有差异性。

其中，红外线与激光属光电半导体技术，分别运用红外线二极管(Infrared Light-Emitting Diode；IR LED)及激光二极管(Laser Diode；LD)的发波，而后接收回波来辨识物体的距离，红外线技术适合短距离运用，激光技术则适合长距离范畴。另外，常见的避障技术还有无线射频、超音波技术等，它们则常见于汽车领域应用。

激光雷达传感器

激光雷达是汽车领域相对较新的应用系统，但正愈来愈引起人们的注意。系统和半导体供应商们正专注于研发和改进新的解决方案，并计划2020/2021年将样件应用起来。

什么是LIDAR(激光雷达)？如前所说，它是利用激光进行探测和测距技术的简称。除了需要激光发射器，这一系统还需要有一个高精度的接收器。由于能通过独特的方法提供被探测物体的三维影像，激光雷达主要被用于测量与固定或移动物体间的距离。

如今，任何买了激光测距仪的人都在用这种方法在家中、建筑材料商店等地方测量距离，其能测量的距离可达数米。而对于驾驶员辅助系统，关键挑战则在于保证系统在任何环境状况下（温度变化、阳光照射、黑暗中或雨雪天气）都能正常工作，而且还要能辨认出300米以外的物体。当然，还需要能够体积最小，可以在最低的成本下大规模生产。

激光雷达系统不是新兴事物，也已经在工业和军事方面应用了很多年。但是，我们这里所说的是复杂的机械透镜系统，还要带有360度无死角视线，能捕捉到物体的空间三维影像。如果还像工业和军事上那样售价成千上万美元，那么将不可能被大规模运用在汽车领域。

如今，激光雷达系统有2个主要发展方向，红外激光雷达系统加上微电机械系统（MEMS Micro-Electro-Mechanical System）（配上转动的激光发射器），或者采用固定状态的激光雷达系统。

在简要地讨论这些技术的区别以前，需要对接收系统解释一下。

接收系统的主要功能是识别从发射器发出的和从物体上反射的光束。因此探测器需要非常灵敏，以至能够探测到单个的光子。如今，最新的相关设备采用了SPAD(Single-Photon Avalanche Diode单光子雪崩二极管) 技术。

该技术的原理很简单，如图11所示。这个二极管有特殊的偏移PN结结构，所以单个的光子就能在二极管内造成雪崩电流（由一点小电流引发的大量电流，类似雪崩现象，故名）。快速增大的二极管电流会被相应的电路探测到，然后产生数字信号，用于后期处理。

图12显示的是采用SPAD传感器测量距离的工作原理。在时间为X时，激光发射器发出一个脉冲光信号，这一信号会被物体反射回来，经过Y时间后一个（或更多）光子到达传感器，到该物体间的距离可以从光线传播的时间长短计算出来。

如果一束或多束光线从转动的镜面或微型机械系统中发射出来，而又有一个由数个传感器元件组成的阵列，那么三维立体的物体也能被探测出来。图13和14就展示了两种基本的激光探测系统的测量过程。

当采用基于MEMS技术的微型镜面系统时，单一束的激光信号会以线形形式被发散和反射回来，反射的光子被相对应的SPAD元件中的光敏传感器检测到。这对于镜面系统准确性、工作寿命、可调节度和可靠性有非常高的要求。毕竟这是一个内部带有可动部件的系统。

乍一看上去，一个没有可动零件的系统似乎更容易实现。但在这一系统中，需要数个（超过100个）激光二极管以及一个相对较大的接收器阵列。激光二极管必须能发出脉冲宽度在毫微秒级上的、电流达数个安培的信号能力，这对半导体制造商是很大的挑战。

两种系统都还在开发中。从一个半导体制造商的角度上来看，系统所需的半导体元件在技术上是可行的，但是SPAD阵列所需的空间面积不好实现。要想激活和控制激光二极管阵列，并实现大约100美元的目标成本，则需要新的方法。相应的微电机械系统也正在研发当中。