汽車車燈集成激光雷達的應用研究

謝延青，張帆，張駿，郭昊宇

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

自動駕駛可追溯到20世紀70年代，伴隨著自動駕駛的發展，用于周圍環境感知的傳感器也不斷迭代更新。常用于汽車環境感知的傳感器有攝像頭、微波雷達和毫米波雷達，此外還有激光雷達等。相較于常見的攝像頭，激光雷達可以主動發光，在黑暗環境中優勢明顯。而對比微波雷達或毫米波雷達，激光雷達波長更短、精度更高，并且能夠對周圍環境更精細地探測。汽車搭載激光雷達除了可以用于輔助緊急制動和自適應巡航控制，也可以在物體識別、跟蹤、避障和復雜路況的預警等方面發揮重要作用。但激光雷達在汽車中的安裝位置略顯尷尬，車頂部的安裝不僅可能影響美觀，還會影響汽車整體的風阻設計，增加油耗。汽車車燈主要為駕駛員或其他交通參與者提供道路照明或車輛狀態信號，主要設計在汽車上左右對稱且豎直方向居中，集成了線束和水平調整機構等部件，如將激光雷達內置車燈中將會為其提供良好的應用環境，同時不影響汽車外觀。優秀的具有感知功能的車燈設計會給汽車輔助駕駛增色不少。由于補盲激光雷達測試距離較近，尺寸較小，安裝于車身周圍對造型影響不大，而中遠距離激光雷達尺寸較大且主要應用于車輛行駛方向附近的環境感知，所以本文主要討論中遠距離激光雷達內置于前照燈的相關問題。

1 車載激光雷達原理及分類

1.1 車載激光雷達的原理

激光雷達的實現方式主要包括調頻連續波、結構光、三角法和飛行時間（Time-of-flight，ToF），其中ToF常用于車載中遠距離激光雷達。ToF方式通過對周圍環境進行測距得到三維點云，從而感知車輛、行人或障礙物。ToF測距有兩種方式，一種是將光調制成一定頻率的周期信號，通過計算發射光和接收光信號的位相差得到距離，叫做間接飛行時間測量（indirect Time-of-flight，iToF）。iToF一般使用占空比較高的脈沖串同時檢測收發時間差和位相差，由于易受環境影響且測試距離受限，目前主要應用于室內。另一種測距可以通過測量發射光與接收光信號脈沖時間間隔直接計算得到，這種方式叫直接飛行時間測量（direct Time-of-flight，dToF），也是目前車載激光雷達的主要方式。下文是iToF和dToF的原理示意（圖1）及計算公式。

圖1 iToF和dToF的原理示意圖

式中：d——測試距離；c——光學介質的光速；Δt——發射和接收的時間差；Δφ——位相差；f——調制頻率。

1.2 車載激光雷達組成及分類

車載激光雷達的分類方式很多，實現的技術路線也各有差異。使用dToF的激光雷達的核心器件包括光源、接收器、光學掃描器件、驅動和信號處理電路。目前車載激光雷達主要使用激光二極管（LD）作為光源，也有部分廠家考慮使用功率更高、光束品質更好的光纖激光器以得到更遠的探測距離，但前者在價格、尺寸、散熱和可靠性方面更有優勢。接收器會根據測試距離（增益需求）或點云密度需求使用APD、SPAD或SiPM以及CCD/CMOS。各家差異較大的是其光學掃描方式。光學掃描的主要實現方式有機械旋轉、振鏡、轉鏡、微電機系統（MEMS）、楔形透鏡等。激光經光學系統整形成點、線或者面，再通過不同的掃描方式完成工作。下面介紹幾種常見于車載激光雷達的掃描方式。

1）機械旋轉式。機械旋轉是較早實現激光雷達的掃描方式，Velodyne最早的激光雷達就是使用這種方式，時至今日，仍然是常見的實現形式，如圖2所示。機械旋轉可以實現360°連續旋轉，水平分辨率較高，豎直分辨率由激光器和接收器的對數及其夾角確定。安裝環境周圍需要避免遮擋，多安裝于車頂，這也是目前激光雷達影響汽車外觀的一個原因。如果安裝在車燈內部會犧牲部分測試范圍，所以在討論車燈集成激光雷達時，后面介紹的幾種方式可能更合理。

圖2 機械旋轉式激光雷達示意圖

2）振鏡式。振鏡是激光掃描中常用的器件，在激光雷達中也常被使用。單個振鏡繞軸旋轉，可實現一維掃描，兩個振鏡繞互垂直的兩軸轉動，可以完成兩個方向上的掃描。相比機械旋轉方式，其掃描范圍較小，適合安裝于燈內。如圖3所示。

圖3 振鏡式激光雷達示意圖

3）轉鏡。轉鏡有多個反光面，每個反光面與旋轉軸的夾角可以相同，也可不同。當各面夾角相同時，轉鏡旋轉時可實現一定角度范圍的往復掃描；當夾角不同時，可以實現在水平和豎直方向的分時掃描，但此種方式豎直分辨率由各反射面夾角決定。在應用中，常用夾角相同的轉鏡與一維振鏡配合使用，以實現豎直方向更高的分辨率。如圖4所示。

圖4 轉鏡式激光雷達示意圖

4）MEMS方式。MEMS與振鏡的原理類似，其尺寸更小，采用壓電、電磁等驅動方式，更易集成。但驅動方式對器件性能影響較大。MEMS的轉動角度較小，所以在測試大角度時，需要使用多個元件進行拼接，也適用于車燈內集成。圖5為MEMS式激光雷達示意圖。

圖5 MEMS式激光雷達示意圖

5）雙光楔。雙光楔方式使用兩個旋轉的光楔偏折激光光路完成掃描。其特點是激光經兩光楔后掃描軌跡比較復雜，點云均勻性不易控制。圖6為雙光楔式激光雷達示意圖。目前市場上使用此種技術路線的廠家較少。

圖6 雙光楔式激光雷達示意圖

此外，還有Flash和光學相控陣等方式。Flash方式使用激光器同時對整個測試區域或分區分時對測試區域打光，并使用陣列探測器接收光信號。光學相控陣（Optical Phased Arrays，OPA）類似于相控陣雷達，沒有移動的掃描部件，而是通過控制陣列光源的位相實現不同方向的探測。目前由于光源或系統限制，兩種方式仍有技術問題需要解決，所以相應的車載激光雷達較為少見。

2 車燈集成激光雷達的討論

目前車載激光雷達常放在車頂，對汽車外形影響較大，也會增加風阻。放在標牌位置，一方面標牌圖案會對激光雷達光路造成影響，另一方面，具有發光功能的標牌廣泛使用散射勻光材料，增加了應用難度。如果將激光雷達放在格柵位置，一般需要改變原有格柵造型。保險杠附近與地面距離小，與地面上物體（石子、異物等）接觸的概率較高，且底部灰塵也更大，激光雷達窗口更容易臟污。如果考慮汽車加裝激光雷達而不至于引起變化過多的造型變化，車燈是激光雷達一個相對合理的安裝位置。下面將從幾個方面對車載激光雷達內置于車燈中所面臨的問題進行討論。

2.1 激光雷達安裝位置

激光雷達在豎直方向上的測試范圍一般在±20°以內，與遠近光模組發光范圍相當，所以飾圈開口高度可參照常規光學模組，不需特殊調整。安裝深度D與飾圈高度應滿足發射角度的簡單的三角換算，見公式（3）~（5）。安裝位置示意見圖7。

圖7 豎直方向安裝位置示意圖

在水平方向上，除了需要考慮避免光路遮擋外，也需要依照造型考慮安裝位置。圖8為一種常見的造型：外側彎曲較大，內側較平緩。a、b對應外側和內側兩個安裝位置。能看到a位置光線與外透鏡的夾角由于造型傾斜，部分角度較大，菲涅爾損耗也更大。當外透鏡表面品質較差時，容易發生散射，影響對應區域的測試。傾斜安裝可以平衡部分角度過大的問題，并減少菲涅爾損耗。而對于比較平直的造型，內側或外側的位置對光路的影響差異較小。因而對比較陡峭的造型，需要考慮是否可以傾斜安裝或調整設計，必要時增加相對平直的透光區域。

圖8 水平方向安裝位置示意圖

車燈內部集成的水平調整機構可以根據汽車的實際傾斜狀態對車燈照準位置做出相應調整。如果激光雷達能夠共用水平調整機構，也將有助于動態修正測試范圍，提高測試精度。因而在激光雷達性能可接受范圍，將其排布在近遠光附近并整合水平調整機構也是一個不錯的選擇。當然，在設計支架時應考慮適當加強結構，減少增加激光雷達后的失效風險。

2.2 外透鏡對激光雷達的影響

外透鏡是車燈的透光面，也是各部件的保護面罩。目前前照燈的外透鏡多是透明塑料，常見的前照燈外透鏡使用聚碳酸酯（PC）材 料。激 光 雷 達 常 用 波長：905nm、940nm和1550nm，其透過率與可見光差異不大。2~3mm的材料透過率均在90%左右，對激光雷達能量吸收較小。如果不考慮早期部分車燈通過調整外透鏡厚度補償光程差，車燈外透鏡一般是相互平行的兩個曲面。類似平行平板，外透鏡會使激光雷達光學系統光路發生偏移，還引入一定的像差。普通的平行平板不會影響激光傳播角度，但外透鏡的自由造型曲面，會對激光雷達原始發射及接收光路造成一定影響。圖9為外透鏡曲面的簡化模型，假設透鏡厚度為t，外表面的曲率 半 徑 為r，光線入射角度為i，內表面的出射角度為i＇，透鏡外表面界面入射角和出射角分別為i＇和i，透鏡的折射率為n，空氣折射率為n＇。光線在經過外透鏡后光 路發生偏移，出射 角偏離入射角為Δ=i+i＇-i＇-i，依照斯涅爾法則有如下關系：

圖9 光路簡化示意圖

容易得到，在不同的曲率半徑下，夾角隨著入射角度增大而增大。在入射角度固定時，夾角也會隨著曲率半徑的增加而減小。目前市場上激光雷達的精度在0.1°左右，所以增加外透鏡后需要適當考慮光學補償或使用軟件修正，尤其在曲率半徑較小的位置。圖10為偏移角度與不同入射角度和外透鏡曲率半徑的變化關系。

圖10 偏移角度與不同入射角度和外透鏡曲率半徑的變化關系（PC材料，t=2.5mm）

汽車信號燈一般有可見角度的法規要求，即在一定角度范圍內滿足一定的光強需求。雖然最新的法規已經將可見角度調整到更加合理的范圍，降低了位置燈和轉向燈可見角度的設計難度，但由于造型或系統排布需求，仍然可能會在外透鏡上增加光學花紋以滿足法規要求，這將會對激光雷達光路產生很大影響，所以在激光雷達探測角度范圍避免在外透鏡增加光學結構也十分必要。可見角度不足的問題，除了可以通過優化對應功能原始光學設計外，也可以在必要時增加光學元件，比如在增加的內透鏡上添加花紋解決。此外，在外透鏡模具設計時，也應將分模線避開激光雷達透光區域。

激光窗口的臟污會給激光雷達的測試精度帶來影響，所以部分激光雷達廠商會增加窗口清洗裝置。而激光雷達集成在車燈內，外透鏡臟污同樣會影響測試精度。實際上，依照法規，當近光光源超過2000lm時，需要配置清洗裝置，以保證前照燈在外透鏡污染時不影響其性能。而為了給客戶更好的駕駛體驗，主機廠對路面照度也逐漸提出了更高的要求，這就需要路面有更高光通量。但出于成本因素考慮，在設計近光時，一般會盡可能提高系統效率，而避免光源高于光通量限制，這也提高了設計難度。如果整合車燈和激光雷達的清洗裝置，也可以適當提高光通量以獲得更好的路面照明效果，從而降低設計難度。

2.3 集成激光雷達的散熱和空間問題

高溫會增加車燈內的材料和器件的失效風險，降低可靠性，也會造成激光器波長漂移影響激光雷達測試范圍。而車燈使用的燈泡或LED光源在工作中也會產生大量熱，如果考慮前驅汽車，車燈距發動機比較近，車燈內溫度在發動機工作后會更高，70~80℃的環境溫度就可能使工作中的LED或LD超過結溫限值而失效，所以車燈設計過程中關注散熱情況十分必要。

出于成本和可靠性等因素考慮，車燈內低功率器件一般采用被動散熱，而大功率的器件會避免集中LED排布，采用被動散熱或使用風扇進行主動散熱。車載激光雷達由于分辨率或技術路線差異，其系統平均功率在幾瓦到幾十瓦的范圍，與部分車燈功能功率相當。雖然其使用占空比較低的脈沖激光器，但幾百瓦到千瓦的瞬間熱功率散熱仍需被重視。散熱器安裝在燈殼外部將增加空氣對流，有助于散熱，但固定的安裝位置會給整合近光的水平調整機構帶來困難。在燈殼內，激光雷達距外透鏡和周邊殼體距離不同，氣流分布和散熱效果也會不同，所以也需要依照具體器件散射需求采用合適的散熱方式。在不同工況下設置不同的功率輸出也是一種散熱管理方式。實際上，汽車在行駛過程中，對遠距離環境感知也會隨車速增加而增加。車燈周圍空氣流動也會加快，有利于降低環境溫度，也有利于激光雷達高性能工作；而在低速或駐車時，對遠距離感知需求降低，車燈周圍風速也會減慢，冷卻效果下降，可以考慮降功率工作以保護器件。此外，使用波長對溫度變化不敏感的激光器對穩定系統性能也有幫助。在太陽聚焦方面，激光雷達一般使用帶通濾波片來減少環境光對系統的影響，允許通過的波長范圍為幾十納米，可能造成的聚焦效應影響較小。

在原有造型中加入激光雷達這一新的部件，需要在各個車燈功能的位置和空間做整體協調。前照燈燈體內一般包括遠近光、轉向燈、位置燈、晝間行駛燈、角燈或全天候燈，某些車型也會將霧燈、轉向、遠近光、晝間行駛燈等功能安置在不同的燈體內。如果主機廠考慮扁平的車燈設計以增加科技感，也會給激光雷達的尺寸提出更高的要求。使用遠近光一體或與自適應遠光整合的近光模組，或將轉向燈、位置燈和晝間行車燈三者共用光學元件都可以節省空間，必要時可以考慮使用多個燈體。適當增加車燈燈體中的空間，不僅可以緩解車燈內部空間過于緊湊的問題，也可以在外延空間使用更為平緩的外透鏡，減少對激光雷達性能的影響。最后，在車燈的設計過程中，由于造型或光學功能需求，空間結構和外透鏡造型會有調整和優化，激光雷達和燈廠間的相互協調也尤為重要。

3 總結

汽車車燈是激光雷達比較合理的安裝位置，對整車造型的影響較小，也增加了外透鏡的保護，但燈內的排布需要依照具體造型考慮適合的位置，過于傾斜的車燈造型需要適當調整激光雷達的安裝角度平衡菲涅爾損耗。車燈外透鏡對905nm、940nm、1550nm波長透過率高，對激光光路偏移角度的影響需要適當的光學補償或軟件修正。清洗裝置與車燈的整合，有助于降低前照燈光學設計的難度，進而提高路面照明效果。激光雷達整合到近遠光的水平調整機構將有助于動態修正測試范圍，提高測試精度。激光雷達與車燈內各功能光源功率相當，可考慮不同工況下設置不同功率輸出的熱管理方式。適當增加車燈燈體的空間，不僅會降低整合過程中的難度，也會降低對激光雷達性能的影響。