Cepton激光雷达运行机理揭秘 嵌入车灯助推自动驾驶

导读： 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。

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

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Cepton“微动技术”一直很神秘

从本质上来说，LiDAR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”

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。

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。

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。

Cepton的完整LiDAR传感器包括激光发射器、光电探测器阵列、“神秘的微动系统”和相关支持电子设备，所有这一切都安装在一个2英寸的立方体中。只需要提供12V DC电源和以太网连接，这款LiDAR传感器便能提供完整的距离探测。

图5 Cepton的LiDAR传感器扫描点云图

如上图所示，LiDAR探测器的分辨率似乎很差，至少与手机中的摄像头相比，其成像像素（技术上准确来说是体素）与1080p相机图像相比至少低了一个数量级。而且，LiDAR也看不到颜色，不过，它可以检测反射率的差异。这一特征对车辆非常有用，因为涂漆的道路交通标志比沥青路面的反射率更大，同理，在LiDAR“眼中”交通标志比松鼠更亮。因此，即使分辨率相对较低，LiDAR也能轻松地以极高的保真度识别出行人、灯柱、植被和小物体。

Cepton的LiDAR模块将激光发射器的运动与反射信号的返回时间相关联，以产生通过以太网实时传输的“点云”图。此外，它还可以补偿汽车的运动，以及它探测到的物体潜在运动。

图 6 May Mobility自动驾驶车辆上装备了Cepton HR80W

兼顾美观和实用，Cepton将LiDAR嵌入车灯

理想情况下，一辆汽车最好能配备四个LiDAR模块：两个在前面，两个在后面。这样可以360°全面了解车辆前后方的道路状况。不过，即使只配备一个前向LiDAR传感器，也总比没有好。

Cepton的LiDAR模块尺寸很小，而且，由于LiDAR传感器需要向前（或向后）透明清晰的视野，因此，很理想的选择是能够方便地将它们集成进入前照灯和尾灯组件中，不易察觉的同时，也完全不影响LiDAR传感器的性能。毕竟，汽车上对激光透明的其他地方并不多。将它们隐藏在前照灯／尾灯中，避免了“耸立”在车顶或在车身其它位置单独开孔的尴尬，可帮助汽车制造商保持自动驾驶汽车流畅的造型设计。

Cepton的LiDAR模块在前照灯中的集成非常方便，据麦姆斯咨询此前报道，日本最大的车辆大灯制造商Koito Automotive（小糸制作所）近日宣布，将Cepton的LiDAR模块直接集成到其LED前照灯组件中。其LiDAR系统基本上可以完全隐藏在LED大灯中，这样一来，采购它的汽车制造商不必再研究如何将LiDAR传感器嵌入到他们的汽车设计中，现在，它已变身成为一款带有以太网接口的大灯。

905 nm硅激光器

将LiDAR模块集成在车灯中，也需要考量安全性问题。LiDAR发射的激光束会射向前方的所有物体，包括行人。如果好奇的人员盯着大灯，想一探究竟，LiDAR发射的激光是否会使人眼睛受伤？

Cepton当然也考虑到了这个问题。目前，许多LiDAR制造商采用了波长1550nm左右的铟镓砷（InGaAs）激光器。在合理的功率水平下，该波长的激光被认为是对人“眼睛安全的”。不过，该波段的激光束也会被LiDAR所要探测的很多物体吸收，因此LiDAR制造商需要在波长和功率之间取舍，以获得他们想要的探测距离和分辨率。

Cepton坚持采用工作波长在905 nm的硅激光器。因为硅激光器对制造商来说更便宜，但它们的激光辐射对哺乳动物的视网膜并不友好。为了弥补这一点，Cepton采用了低功率激光器，同时提高其探测器阵列的灵敏度。Cepton首席执行官裴军表示，结果是我们的LiDAR安全性更高，探测距离更远，制造成本更低。