道路行駛中激光雷達(dá)（LiDAR）很容易被污染物遮蔽
車輛在雨雪、多塵的天氣行駛時，前擋風(fēng)玻璃以及前大燈都會覆上雨雪、塵土或者其它顆粒物。另外，在夏季夜間跑過高速公路的司機(jī)都很了解，跑完高速車頭都會布滿各種昆蟲的尸體。這些遮蔽物會阻擋司機(jī)的視線，以及前大燈的照明效果。幸好，現(xiàn)在的汽車都配有雨刮器，高端車型還配有大燈清洗系統(tǒng)。當(dāng)雨雪、灰塵、昆蟲尸體或其它顆粒物遮蔽激光雷達(dá)窗口時，這些環(huán)境遮蔽物勢必也會阻擋或偏轉(zhuǎn)激光束，從而降低傳感器的“能見度”。那么，這些影響有多大呢？
多光束Flash激光雷達(dá)創(chuàng)新廠商Ouster分析了激光雷達(dá)光學(xué)孔徑，并通過現(xiàn)場試驗，分享了如何利用更大的光學(xué)孔徑，最小化遮蔽物的影響。

清洗后沾滿水滴的Ouster激光雷達(dá)OS1，水滴對光線有折射作用

什么是光學(xué)孔徑？為什么它很重要？
相機(jī)鏡頭可以看成激光雷達(dá)鏡頭的簡化版本，我們可以先從相機(jī)鏡頭獲得一些直觀感受。在相機(jī)中，光圈是指控制從鏡頭系統(tǒng)到圖像傳感器進(jìn)光量的開口。光圈通常位于鏡頭內(nèi)部的深處，但打開和關(guān)閉光圈也會影響前透鏡表面上光收集區(qū)域的大小。這被稱為“前透鏡光圈”，在光學(xué)設(shè)計圈中也稱為“入射光瞳”，在本文中，光學(xué)孔徑指的是前透鏡光圈，而不是深處鏡頭內(nèi)部的機(jī)械光圈。
光學(xué)孔徑的大小會影響遮蔽物對圖像傳感器的影響。如果一個不透明的遮蔽物（如泥巴或蟲子）大于光學(xué)孔徑，那么它會完全遮擋光圈，從而使相機(jī)“失明”。如果光學(xué)孔徑大于遮蔽物，那么入射光只會部分衰減，只會對成像顯示產(chǎn)生部分影響。

相機(jī)鏡頭被部分遮蔽，相對較大的光圈可以通過光線，對成像產(chǎn)生部分影響

在Ouster的激光雷達(dá)傳感器中，透鏡系統(tǒng)對VCSEL激光器進(jìn)行準(zhǔn)直和擴(kuò)展。當(dāng)激光束從透鏡系統(tǒng)射出時，光學(xué)孔徑與激光束的直徑直接相關(guān)。而在接收端，光的傳播方向相反，但和相機(jī)一樣，它也有一個光學(xué)孔徑，光在聚焦到探測器陣列之前會通過。
與相機(jī)鏡頭類似，光學(xué)孔徑較小的激光雷達(dá)傳感器對遮蔽物的彈性較小。不透明或有折射影響的遮蔽物（如雨滴，可以偏轉(zhuǎn)激光束），會使激光雷達(dá)信號衰減，從而降低像素的捕捉范圍。而當(dāng)光學(xué)孔徑較大時，信號強度只會部分衰減而不是完全阻擋，對點云的影響較小。

小光學(xué)孔徑更容易受到遮蔽物的影響

也就是說，對于揚塵、雨雪、泥污等其它遮蔽物會出現(xiàn)的行車環(huán)境，小光學(xué)孔徑對于所有相機(jī)或激光雷達(dá)來說都會有影響。
昆蟲尸體問題現(xiàn)場測試！
對此，Ouster進(jìn)行了一系列的測試，以證明OS1的大光學(xué)孔徑是如何降低較大遮蔽物（如大昆蟲尸體）的影響。
Ouster的測試裝置包括一個OS1-64激光雷達(dá)傳感器，和一個經(jīng)過校準(zhǔn)的10%反射率的朗伯表面。為了測試性能，Ouster采用干凈的傳感器窗口收集了激光脈沖的返回強度。然后，用直徑為5毫米的“昆蟲”貼在面向朗伯表面的傳感器窗口上，再次測量激光脈沖的返回強度。將這兩個值進(jìn)行比較，以確定“昆蟲”對信號強度的影響。
為了測量不同范圍內(nèi)的強度衰減，Ouster將激光雷達(dá)傳感器放在不同的距離重復(fù)了測試過程。

Ouster激光雷達(dá)OS1和經(jīng)過校準(zhǔn)的10%反射率朗伯表面，并在6米、12米和18米距離處進(jìn)行了重復(fù)試驗

Ouster使用貼紙來模擬遮蔽物對激光雷達(dá)性能的影響

通過Ouster Studio軟件，在點云圖中突出顯示朗伯表面及捕捉的強度值

現(xiàn)場試驗結(jié)果

縱坐標(biāo)為強度值，橫坐標(biāo)為不同的測試距離（6米、12米和18米）

上表計算了不同測試距離時，遮蔽物對強度衰減及預(yù)期探測距離的影響

從測試結(jié)果來看，即使OS1-64貼上了不透明的遮蔽物，傳感器仍然具有探測能力，不過捕捉強度有所降低。這也是可以理解的，因為一個5毫米的遮蔽物只能遮擋一小部分光學(xué)孔徑，但是會使光子的有效探測距離減少約15%。Ouster的大光學(xué)孔徑可以確保足夠的光束繞過遮蔽物進(jìn)入到探測器陣列，因此對最大探測距離的影響相對較小。
MEMS微鏡的問題

相比之下，略大些的昆蟲就可以完全遮擋MEMS微鏡較小的光學(xué)孔徑

MEMS激光雷達(dá)有一個突出的缺點，其振蕩微鏡組件的光學(xué)孔徑只有1~4毫米。相比之下，Ouster的多光束Flash激光雷達(dá)的光學(xué)孔徑直徑可以達(dá)到2~10倍，面積則能達(dá)到4~100倍，因此，對于遮蔽物的魯棒性也同樣更高。
MEMS激光雷達(dá)系統(tǒng)通過反射鏡來實現(xiàn)激光束的掃描，其光學(xué)孔徑主要受反射鏡的尺寸限制。直觀地說，加大反射鏡的尺寸是提高M(jìn)EMS系統(tǒng)光學(xué)孔徑的一個簡單方法，不過，事實上，大尺寸MEMS反射鏡在快速振蕩時存在一些原生問題，需要在視場、幀速率和可靠性之間做權(quán)衡，因此很少有制造商會這么做。
Ouster將進(jìn)一步擴(kuò)大優(yōu)勢
對于遮蔽物的魯棒性，在探測距離、分辨率和視場等性能指標(biāo)面前，往往會被忽視。但這些特性對于安全關(guān)鍵性應(yīng)用往往非常重要，一只甲蟲就可能帶來很大麻煩。Ouster在激光雷達(dá)設(shè)計之初就充分考慮到了這一點，并且，最新的OS2進(jìn)一步提高了這種魯棒性。OS2的光學(xué)孔徑達(dá)到了OS1的兩倍，對于遮蔽物的魯棒性更好，可以實現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的環(huán)境感知。敬請期待Ouster今年晚些時候的新品發(fā)布！
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