1550nm激光二极管在汽车激光雷达中表现出色
文/Daniel Chu，Sidi Aboujja，David Bean
激光成像、探测和测距（lidar；也被称为LiDAR）是将自动驾驶汽车的概念变为现实的关键系统之一。它有望在白天和夜晚都能探测并识别汽车和行人等物体，无论是在城市街道还是在高速公路上。要在车辆上成功地部署激光雷达系统，最严格的要求是：当车辆以75英里/小时（约120公里/小时）的典型速度行驶在高速公路上时，激光雷达系统能够成功地探测200米或更远的范围。只有当激光雷达在各种天气条件下都能实现如此长的探测距离时，车辆才能根据任何潜在的障碍物作出反应和相应的操控，而不至于危及周围的其他车辆和人员（见图1）。
图1：激光雷达点云的一个例子
然而不幸的是，市场上大多数激光雷达系统都需要许多激光发射器和复杂的系统设计，来探测200米以外的目标，因为使用短波长（如905nm）激光器，单个激光发射器很难达到100米以上的探测距离。事实上，采用905nm激光器的初衷并不是因为其性能，而是源于其商业可用性和较低的成本。这种不良性能背后还有一个主要原因：国际眼睛安全标准IEC 60825-1[1]限制了激光器被允许的输出能量，该能量不能对人眼有潜在的不利影响。当增加905nm激光器的能量来扩大激光雷达的探测范围时，不安全的光子可以穿过人眼的晶状体和角膜到达视网膜，对人眼造成永久性伤害。
激光雷达界已经充分注意到，更长的波长（如1550nm）是激光雷达光源的最佳选择，因为它们处于人眼安全（>1300nm）的光谱区域。1300nm以上的波长被认为本质上是对人眼安全的，因为这些波长的光能在很大程度上被晶状体和角膜吸收，并以热量的形式无害地消散，不会对人眼造成损害。[1]一些激光雷达系统使用1550nm的光纤激光器来实现长距离探测，但由于其高昂的成本和复杂性，导致它们在商业上并不可行。
这里，我们展示了一个新开发的高功率半导体激光二极管，其三结（triple-junction）输出为对人眼安全的1550nm波长（见图2）。相比于905nm激光器，这种1550nm激光器每秒可以产生50倍以上的光子，并能实现3倍远的探测距离。1550nm二极管激光器的这一突破，使激光雷达行业超越了905nm单一发射器100米的探测距离，开辟了更多长距离的探测应用。
图2：1550nm三结激光二极管（a和b）和其近场图像（c）
下文的分析比较了1550nm激光器和905nm激光器在人眼安全等级、允许的光子数量、探测范围内的光子预算、目标反射率以及大气介质等方面的情况。在确定接收器的性能和假定的系统参数的情况下，单发射器激光雷达系统根据信噪比（SNR）和检测PD的概率进行了基准测试。测试结果显示：该1550nm激光器在200米以上的探测性能，轻松超过了905nm激光器。
905nm和1550nm的人眼安全水平
在使用单一发射器和飞行时间（ToF）方法的激光雷达系统中，准直的激光脉冲从出射窗口发射出来，在视场（FOV）内的目标空间中扫描，并被车辆前方的物体反射。然后，信号光子被收集，并通过接收器电路转换成电信号，形成点云数据。出射孔径处允许的激光脉冲能量是第一个关键参数，它可以决定可用的信号光子数量和随后的系统性能。
根据IEC 60825-1一级激光器的人眼安全标准，激光器出射孔径允许的光子能量的确定，要综合考虑激光脉冲宽度、重复频率、光圈直径、束腰和准直角度等参数。根据我们的估计，一个典型的905nm激光二极管，通过200μm的出射孔径能够达到90W的峰值光功率，在100kHz的重复频率下，允许的最大脉冲能量被限制在3ns脉冲的92nJ。这个最大能量是在所有光子进入直径8mm的人眼瞳孔的假设下确定的。由于1550nm激光在本质上对人眼是安全的，因此在理论上，允许的脉冲能量可以是400kHz的重复频率下10ns脉冲的29μJ，这比905nm激光器允许的能量高300倍。
在实践中，新开发的具有350μm发射孔径的1550nm激光二极管，能够在10ns脉冲宽度上提供110W的峰值功率（见图3），能够产生1.1μJ的允许能量，这比905nm激光器允许的能量高12倍。由于重复频率高出4倍，光子能量较低，在1秒的时间跨度内，1550nm脉冲将能产生比905nm多80倍的光子。
图3：新开发的1550nm激光器的10ns脉冲的性能数据图。
Output power——输出功率
Current——电流
Voltage——电压
Triple-junction laser diode with 10 ns pulse,350 μm aperture, and 2.55 mmcavity length——新开发的1550nm激光器，脉宽10ns，350μm出射孔径，2.55mm腔长
按距离、目标反射率和大气损耗计算的光子预算
为了评估激光雷达系统的性能，我们需要检查在接收器收集光子之前，影响光子数量的各种参数。下面的公式用于计算沿光路离开激光雷达的整体信号光子：
这里，R是距离，ρ是目标反射率，γ是大气消光系数，A是接收器孔径，η为接收器光学系统效率。[2]
从公式中可以看出，信号会因为接收器孔径与飞行距离的平方的比值的减小而急剧衰减。信号光子也会被目标表面吸收、散射或反射，返回的光子被光电接收器孔径收集。激光束在空气中的传输率由exp（-2γR）来计算。系数γ根据发射波长和气象视觉范围而变化，可以用以下公式表示：
其中，Rν是能见度范围；λ是波长；当能见度小于6公里时，q按计算，超过6公里时按1.3计算。
利用这个公式可以发现，当能见度超过20公里时，200米距离上的传输信号可以收集到98%；而当能见度小于2公里时，只能收集到50%。
在研究光子预算时，由于长距离、低目标反射率和大气介质损耗导致的光子损耗迅速增加，这时候可能会发现激光雷达的可用光子已经被消耗光了。实验对比了在200米距离、10%的目标反射率、20公里能见度和接收器前85%的传输率的光学系统下，1550nm和905nm波长的光子计数。结果显示，与905nm相比，1550nm波长的可用光子多出了83倍；因此，使用905nm的激光雷达在200米范围内探测是黑暗无效的，但使用1550nm激光二极管，可以实现一个明亮的激光雷达，能有效地测量整个200米的范围。
信噪比和探测PD的概率
为了评估激光雷达的性能，我们估计了整个系统的信号和噪声；探测概率是由信噪比（SNR）决定的。信号电流is是根据光子功率Ps计算出来的，计算公式如下：
其中，Ro是统一增益响应率[A/W]，M是SemiNex研究中使用的雪崩光电二极管（APD）的雪崩增益。通常，905nm激光雷达使用硅APD；而1550nm激光雷达使用砷化镓铟（InGaAs）APD。噪声计算包括APD的暗电流、散粒噪声和热噪声，它们可以用以下公式表示：[4]
其中，ID是暗电流，Ps是进入APD的信号光子通量，PB是太阳辐照度背景噪声，F是过量噪声系数，It是由4kBT/Req计算的热（约翰逊）噪声，BW是系统带宽。
由于返回的信号光子是由接收器孔径收集的，所以在计算散粒噪声时也需要考虑太阳背景噪声。假设在最坏的情况下，入射到APD上的总太阳背景功率可以用下面的公式来估计：[4]
其中，Eλ是太阳光谱辐照度[W・m-2・nm-1]，βR是接收器视场，DR是接收器孔径，Δλ是接收器带通滤波器范围。
905nm的Δλ为20nm，1550nm的Δλ为40nm，据估计，1550nm的太阳噪声比905nm小约78%。我们还注意到，当Eλ仅为0.0045时，1350nm具有最低的太阳辐照度噪声；相比之下，905nm的太阳辐照度噪声为0.9，1550nm为0.2，这些太阳背景噪声是可忽略不计的（见图4）。[5]在1350nm处极低的太阳背景噪声，可用于被探索潜在的激光雷达设计。
图4：太阳辐照度光谱。
Wavelength——波长
Spectral irradiance——光谱辐射度
为了进行比较，我们采用了已知规格的硅APD（用于905nm系统）和InGaAs APD（用于1550nm系统）；接收器孔径为50mm；硅APD的典型雪崩增益为100，InGaAs APD的为30；硅APD和InGaAs APD的过量噪声系数分别为5和10。假设系统的各个参数：接收器的光学效率为80%，系统带宽为20MHz，等效电阻为10MΩ，我们得到的SNR为：
与雷达类似，激光雷达探测PD的概率，是用目标的互补误差函数来近似的：[6]
其中，Pfa是错误警报的概率。不同激光雷达设计之间的彻底调查需要更严格的数值模拟，因为目标可以通过改变方向与四种Swerling模型进行波动。[7]在我们的基准中，假设误报的概率是典型的1%。
图5显示了在不同的距离、目标反射率和能见度条件下，使用1550nm激光器与905nm激光器的激光雷达的基准结果。一般来说，1550nm激光雷达比905nm激光雷达的性能要好。在100米的距离上，905nm需要高目标反射率，以达到一个较好的信噪比和探测概率。相比之下，1550nm激光雷达的探测概率为100%。信噪比差的单发射器905nm激光雷达无法探测到100米以外的任何物体，而1550nm激光雷达在信噪比方面胜过60倍，在200米处的探测概率胜过905nm激光雷达24倍。在250米范围内，单个1550nm激光雷达可以在晴空和低能见度条件下很好地发挥作用。考虑到汽车激光雷达所需要的安全水平，1550nm的性能有望实现完全自主的激光雷达实施。
图5：单发射器激光雷达中，1550nm激光器与905nm激光器的信噪比和探测概率。
detection probability——探测概率
distance——距离
reflectivity——反射率
Visibility——能见度
在这个基准中，我们假设激光发射器的光束直径与放大的瞳孔大小一致。在实践中，905nm激光雷达的设计通常会增加许多发射器，并显著扩大光束直径，以满足安全标准，实现更好的信噪比，并实现更远的探测距离。这种用于905nm的方法使整个激光雷达设计复杂化，增加了大量成本，并降低了目标的图像分辨率。相比之下，采用1550nm激光二极管的激光雷达系统，可以为自主车辆提供更远的探测距离，而且复杂程度更低。
基准结果表明，人眼的安全要求极大地限制了905nm激光雷达的实用性，并增加了其复杂性。通过一个单一的发射器，这样的激光雷达无法探测到100米以外的物体，这完全破坏了在所有条件下，为自主车辆建立可靠的激光雷达系统的最终目标。
相比之下，新的1550nm激光二极管对人眼是安全的，能够在远距离为自主车辆提供最佳的激光雷达性能。1550nm二极管为自动驾驶汽车和汽车工业提供了一条实用道路，在不牺牲探测分辨率的情况下，提供了更简单的激光雷达系统。考虑到显著降低的太阳噪声，具有更高效率和更高功率的1350nm激光二极管，可能是激光雷达的一个更好的选择。