MEMS激光雷达突出的缺点是什么？

道路行驶中激光雷达（LiDAR）很容易被污染物遮蔽
车辆在雨雪、多尘的天气行驶时，前挡风玻璃以及前大灯都会覆上雨雪、尘土或者其它颗粒物。另外，在夏季夜间跑过高速公路的司机都很了解，跑完高速车头都会布满各种昆虫的尸体。这些遮蔽物会阻挡司机的视线，以及前大灯的照明效果。幸好，现在的汽车都配有雨刮器，高端车型还配有大灯清洗系统。当雨雪、灰尘、昆虫尸体或其它颗粒物遮蔽激光雷达窗口时，这些环境遮蔽物势必也会阻挡或偏转激光束，从而降低传感器的“能见度”。那么，这些影响有多大呢？
多光束Flash激光雷达创新厂商Ouster分析了激光雷达光学孔径，并通过现场试验，分享了如何利用更大的光学孔径，最小化遮蔽物的影响。

清洗后沾满水滴的Ouster激光雷达OS1，水滴对光线有折射作用

什么是光学孔径？为什么它很重要？
相机镜头可以看成激光雷达镜头的简化版本，我们可以先从相机镜头获得一些直观感受。在相机中，光圈是指控制从镜头系统到图像传感器进光量的开口。光圈通常位于镜头内部的深处，但打开和关闭光圈也会影响前透镜表面上光收集区域的大小。这被称为“前透镜光圈”，在光学设计圈中也称为“入射光瞳”，在本文中，光学孔径指的是前透镜光圈，而不是深处镜头内部的机械光圈。
光学孔径的大小会影响遮蔽物对图像传感器的影响。如果一个不透明的遮蔽物（如泥巴或虫子）大于光学孔径，那么它会完全遮挡光圈，从而使相机“失明”。如果光学孔径大于遮蔽物，那么入射光只会部分衰减，只会对成像显示产生部分影响。

相机镜头被部分遮蔽，相对较大的光圈可以通过光线，对成像产生部分影响

在Ouster的激光雷达传感器中，透镜系统对VCSEL激光器进行准直和扩展。当激光束从透镜系统射出时，光学孔径与激光束的直径直接相关。而在接收端，光的传播方向相反，但和相机一样，它也有一个光学孔径，光在聚焦到探测器阵列之前会通过。
与相机镜头类似，光学孔径较小的激光雷达传感器对遮蔽物的弹性较小。不透明或有折射影响的遮蔽物（如雨滴，可以偏转激光束），会使激光雷达信号衰减，从而降低像素的捕捉范围。而当光学孔径较大时，信号强度只会部分衰减而不是完全阻挡，对点云的影响较小。

小光学孔径更容易受到遮蔽物的影响

也就是说，对于扬尘、雨雪、泥污等其它遮蔽物会出现的行车环境，小光学孔径对于所有相机或激光雷达来说都会有影响。
昆虫尸体问题现场测试！
对此，Ouster进行了一系列的测试，以证明OS1的大光学孔径是如何降低较大遮蔽物（如大昆虫尸体）的影响。
Ouster的测试装置包括一个OS1-64激光雷达传感器，和一个经过校准的10%反射率的朗伯表面。为了测试性能，Ouster采用干净的传感器窗口收集了激光脉冲的返回强度。然后，用直径为5毫米的“昆虫”贴在面向朗伯表面的传感器窗口上，再次测量激光脉冲的返回强度。将这两个值进行比较，以确定“昆虫”对信号强度的影响。
为了测量不同范围内的强度衰减，Ouster将激光雷达传感器放在不同的距离重复了测试过程。

Ouster激光雷达OS1和经过校准的10%反射率朗伯表面，并在6米、12米和18米距离处进行了重复试验

Ouster使用贴纸来模拟遮蔽物对激光雷达性能的影响

通过Ouster Studio软件，在点云图中突出显示朗伯表面及捕捉的强度值

现场试验结果

纵坐标为强度值，横坐标为不同的测试距离（6米、12米和18米）

上表计算了不同测试距离时，遮蔽物对强度衰减及预期探测距离的影响

从测试结果来看，即使OS1-64贴上了不透明的遮蔽物，传感器仍然具有探测能力，不过捕捉强度有所降低。这也是可以理解的，因为一个5毫米的遮蔽物只能遮挡一小部分光学孔径，但是会使光子的有效探测距离减少约15%。Ouster的大光学孔径可以确保足够的光束绕过遮蔽物进入到探测器阵列，因此对最大探测距离的影响相对较小。
MEMS微镜的问题

相比之下，略大些的昆虫就可以完全遮挡MEMS微镜较小的光学孔径

MEMS激光雷达有一个突出的缺点，其振荡微镜组件的光学孔径只有1~4毫米。相比之下，Ouster的多光束Flash激光雷达的光学孔径直径可以达到2~10倍，面积则能达到4~100倍，因此，对于遮蔽物的鲁棒性也同样更高。
MEMS激光雷达系统通过反射镜来实现激光束的扫描，其光学孔径主要受反射镜的尺寸限制。直观地说，加大反射镜的尺寸是提高MEMS系统光学孔径的一个简单方法，不过，事实上，大尺寸MEMS反射镜在快速振荡时存在一些原生问题，需要在视场、帧速率和可靠性之间做权衡，因此很少有制造商会这么做。
Ouster将进一步扩大优势
对于遮蔽物的鲁棒性，在探测距离、分辨率和视场等性能指标面前，往往会被忽视。但这些特性对于安全关键性应用往往非常重要，一只甲虫就可能带来很大麻烦。Ouster在激光雷达设计之初就充分考虑到了这一点，并且，最新的OS2进一步提高了这种鲁棒性。OS2的光学孔径达到了OS1的两倍，对于遮蔽物的鲁棒性更好，可以实现更远距离的环境感知。敬请期待Ouster今年晚些时候的新品发布！
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