汽车车灯集成激光雷达的应用研究

谢延青，张帆，张骏，郭昊宇

（上汽大众汽车有限公司，上海 201805）

自动驾驶可追溯到20世纪70年代，伴随着自动驾驶的发展，用于周围环境感知的传感器也不断迭代更新。常用于汽车环境感知的传感器有摄像头、微波雷达和毫米波雷达，此外还有激光雷达等。相较于常见的摄像头，激光雷达可以主动发光，在黑暗环境中优势明显。而对比微波雷达或毫米波雷达，激光雷达波长更短、精度更高，并且能够对周围环境更精细地探测。汽车搭载激光雷达除了可以用于辅助紧急制动和自适应巡航控制，也可以在物体识别、跟踪、避障和复杂路况的预警等方面发挥重要作用。但激光雷达在汽车中的安装位置略显尴尬，车顶部的安装不仅可能影响美观，还会影响汽车整体的风阻设计，增加油耗。汽车车灯主要为驾驶员或其他交通参与者提供道路照明或车辆状态信号，主要设计在汽车上左右对称且竖直方向居中，集成了线束和水平调整机构等部件，如将激光雷达内置车灯中将会为其提供良好的应用环境，同时不影响汽车外观。优秀的具有感知功能的车灯设计会给汽车辅助驾驶增色不少。由于补盲激光雷达测试距离较近，尺寸较小，安装于车身周围对造型影响不大，而中远距离激光雷达尺寸较大且主要应用于车辆行驶方向附近的环境感知，所以本文主要讨论中远距离激光雷达内置于前照灯的相关问题。

1 车载激光雷达原理及分类

1.1 车载激光雷达的原理

激光雷达的实现方式主要包括调频连续波、结构光、三角法和飞行时间（Time-of-flight，ToF），其中ToF常用于车载中远距离激光雷达。ToF方式通过对周围环境进行测距得到三维点云，从而感知车辆、行人或障碍物。ToF测距有两种方式，一种是将光调制成一定频率的周期信号，通过计算发射光和接收光信号的位相差得到距离，叫做间接飞行时间测量（indirect Time-of-flight，iToF）。iToF一般使用占空比较高的脉冲串同时检测收发时间差和位相差，由于易受环境影响且测试距离受限，目前主要应用于室内。另一种测距可以通过测量发射光与接收光信号脉冲时间间隔直接计算得到，这种方式叫直接飞行时间测量（direct Time-of-flight，dToF），也是目前车载激光雷达的主要方式。下文是iToF和dToF的原理示意（图1）及计算公式。

图1 iToF和dToF的原理示意图

式中：d——测试距离；c——光学介质的光速；Δt——发射和接收的时间差；Δφ——位相差；f——调制频率。

1.2 车载激光雷达组成及分类

车载激光雷达的分类方式很多，实现的技术路线也各有差异。使用dToF的激光雷达的核心器件包括光源、接收器、光学扫描器件、驱动和信号处理电路。目前车载激光雷达主要使用激光二极管（LD）作为光源，也有部分厂家考虑使用功率更高、光束品质更好的光纤激光器以得到更远的探测距离，但前者在价格、尺寸、散热和可靠性方面更有优势。接收器会根据测试距离（增益需求）或点云密度需求使用APD、SPAD或SiPM以及CCD/CMOS。各家差异较大的是其光学扫描方式。光学扫描的主要实现方式有机械旋转、振镜、转镜、微电机系统（MEMS）、楔形透镜等。激光经光学系统整形成点、线或者面，再通过不同的扫描方式完成工作。下面介绍几种常见于车载激光雷达的扫描方式。

1）机械旋转式。机械旋转是较早实现激光雷达的扫描方式，Velodyne最早的激光雷达就是使用这种方式，时至今日，仍然是常见的实现形式，如图2所示。机械旋转可以实现360°连续旋转，水平分辨率较高，竖直分辨率由激光器和接收器的对数及其夹角确定。安装环境周围需要避免遮挡，多安装于车顶，这也是目前激光雷达影响汽车外观的一个原因。如果安装在车灯内部会牺牲部分测试范围，所以在讨论车灯集成激光雷达时，后面介绍的几种方式可能更合理。

图2 机械旋转式激光雷达示意图

2）振镜式。振镜是激光扫描中常用的器件，在激光雷达中也常被使用。单个振镜绕轴旋转，可实现一维扫描，两个振镜绕互垂直的两轴转动，可以完成两个方向上的扫描。相比机械旋转方式，其扫描范围较小，适合安装于灯内。如图3所示。

图3 振镜式激光雷达示意图

3）转镜。转镜有多个反光面，每个反光面与旋转轴的夹角可以相同，也可不同。当各面夹角相同时，转镜旋转时可实现一定角度范围的往复扫描；当夹角不同时，可以实现在水平和竖直方向的分时扫描，但此种方式竖直分辨率由各反射面夹角决定。在应用中，常用夹角相同的转镜与一维振镜配合使用，以实现竖直方向更高的分辨率。如图4所示。

图4 转镜式激光雷达示意图

4）MEMS方式。MEMS与振镜的原理类似，其尺寸更小，采用压电、电磁等驱动方式，更易集成。但驱动方式对器件性能影响较大。MEMS的转动角度较小，所以在测试大角度时，需要使用多个元件进行拼接，也适用于车灯内集成。图5为MEMS式激光雷达示意图。

图5 MEMS式激光雷达示意图

5）双光楔。双光楔方式使用两个旋转的光楔偏折激光光路完成扫描。其特点是激光经两光楔后扫描轨迹比较复杂，点云均匀性不易控制。图6为双光楔式激光雷达示意图。目前市场上使用此种技术路线的厂家较少。

图6 双光楔式激光雷达示意图

此外，还有Flash和光学相控阵等方式。Flash方式使用激光器同时对整个测试区域或分区分时对测试区域打光，并使用阵列探测器接收光信号。光学相控阵（Optical Phased Arrays，OPA）类似于相控阵雷达，没有移动的扫描部件，而是通过控制阵列光源的位相实现不同方向的探测。目前由于光源或系统限制，两种方式仍有技术问题需要解决，所以相应的车载激光雷达较为少见。

2 车灯集成激光雷达的讨论

目前车载激光雷达常放在车顶，对汽车外形影响较大，也会增加风阻。放在标牌位置，一方面标牌图案会对激光雷达光路造成影响，另一方面，具有发光功能的标牌广泛使用散射匀光材料，增加了应用难度。如果将激光雷达放在格栅位置，一般需要改变原有格栅造型。保险杠附近与地面距离小，与地面上物体（石子、异物等）接触的概率较高，且底部灰尘也更大，激光雷达窗口更容易脏污。如果考虑汽车加装激光雷达而不至于引起变化过多的造型变化，车灯是激光雷达一个相对合理的安装位置。下面将从几个方面对车载激光雷达内置于车灯中所面临的问题进行讨论。

2.1 激光雷达安装位置

激光雷达在竖直方向上的测试范围一般在±20°以内，与远近光模组发光范围相当，所以饰圈开口高度可参照常规光学模组，不需特殊调整。安装深度D与饰圈高度应满足发射角度的简单的三角换算，见公式（3）~（5）。安装位置示意见图7。

图7 竖直方向安装位置示意图

在水平方向上，除了需要考虑避免光路遮挡外，也需要依照造型考虑安装位置。图8为一种常见的造型：外侧弯曲较大，内侧较平缓。a、b对应外侧和内侧两个安装位置。能看到a位置光线与外透镜的夹角由于造型倾斜，部分角度较大，菲涅尔损耗也更大。当外透镜表面品质较差时，容易发生散射，影响对应区域的测试。倾斜安装可以平衡部分角度过大的问题，并减少菲涅尔损耗。而对于比较平直的造型，内侧或外侧的位置对光路的影响差异较小。因而对比较陡峭的造型，需要考虑是否可以倾斜安装或调整设计，必要时增加相对平直的透光区域。

图8 水平方向安装位置示意图

车灯内部集成的水平调整机构可以根据汽车的实际倾斜状态对车灯照准位置做出相应调整。如果激光雷达能够共用水平调整机构，也将有助于动态修正测试范围，提高测试精度。因而在激光雷达性能可接受范围，将其排布在近远光附近并整合水平调整机构也是一个不错的选择。当然，在设计支架时应考虑适当加强结构，减少增加激光雷达后的失效风险。

2.2 外透镜对激光雷达的影响

外透镜是车灯的透光面，也是各部件的保护面罩。目前前照灯的外透镜多是透明塑料，常见的前照灯外透镜使用聚碳酸酯（PC）材 料。激 光 雷 达 常 用 波长：905nm、940nm和1550nm，其透过率与可见光差异不大。2~3mm的材料透过率均在90%左右，对激光雷达能量吸收较小。如果不考虑早期部分车灯通过调整外透镜厚度补偿光程差，车灯外透镜一般是相互平行的两个曲面。类似平行平板，外透镜会使激光雷达光学系统光路发生偏移，还引入一定的像差。普通的平行平板不会影响激光传播角度，但外透镜的自由造型曲面，会对激光雷达原始发射及接收光路造成一定影响。图9为外透镜曲面的简化模型，假设透镜厚度为t，外表面的曲率 半 径 为r，光线入射角度为i，内表面的出射角度为i＇，透镜外表面界面入射角和出射角分别为i＇和i，透镜的折射率为n，空气折射率为n＇。光线在经过外透镜后光 路发生偏移，出射 角偏离入射角为Δ=i+i＇-i＇-i，依照斯涅尔法则有如下关系：

图9 光路简化示意图

容易得到，在不同的曲率半径下，夹角随着入射角度增大而增大。在入射角度固定时，夹角也会随着曲率半径的增加而减小。目前市场上激光雷达的精度在0.1°左右，所以增加外透镜后需要适当考虑光学补偿或使用软件修正，尤其在曲率半径较小的位置。图10为偏移角度与不同入射角度和外透镜曲率半径的变化关系。

图10 偏移角度与不同入射角度和外透镜曲率半径的变化关系（PC材料，t=2.5mm）

汽车信号灯一般有可见角度的法规要求，即在一定角度范围内满足一定的光强需求。虽然最新的法规已经将可见角度调整到更加合理的范围，降低了位置灯和转向灯可见角度的设计难度，但由于造型或系统排布需求，仍然可能会在外透镜上增加光学花纹以满足法规要求，这将会对激光雷达光路产生很大影响，所以在激光雷达探测角度范围避免在外透镜增加光学结构也十分必要。可见角度不足的问题，除了可以通过优化对应功能原始光学设计外，也可以在必要时增加光学元件，比如在增加的内透镜上添加花纹解决。此外，在外透镜模具设计时，也应将分模线避开激光雷达透光区域。

激光窗口的脏污会给激光雷达的测试精度带来影响，所以部分激光雷达厂商会增加窗口清洗装置。而激光雷达集成在车灯内，外透镜脏污同样会影响测试精度。实际上，依照法规，当近光光源超过2000lm时，需要配置清洗装置，以保证前照灯在外透镜污染时不影响其性能。而为了给客户更好的驾驶体验，主机厂对路面照度也逐渐提出了更高的要求，这就需要路面有更高光通量。但出于成本因素考虑，在设计近光时，一般会尽可能提高系统效率，而避免光源高于光通量限制，这也提高了设计难度。如果整合车灯和激光雷达的清洗装置，也可以适当提高光通量以获得更好的路面照明效果，从而降低设计难度。

2.3 集成激光雷达的散热和空间问题

高温会增加车灯内的材料和器件的失效风险，降低可靠性，也会造成激光器波长漂移影响激光雷达测试范围。而车灯使用的灯泡或LED光源在工作中也会产生大量热，如果考虑前驱汽车，车灯距发动机比较近，车灯内温度在发动机工作后会更高，70~80℃的环境温度就可能使工作中的LED或LD超过结温限值而失效，所以车灯设计过程中关注散热情况十分必要。

出于成本和可靠性等因素考虑，车灯内低功率器件一般采用被动散热，而大功率的器件会避免集中LED排布，采用被动散热或使用风扇进行主动散热。车载激光雷达由于分辨率或技术路线差异，其系统平均功率在几瓦到几十瓦的范围，与部分车灯功能功率相当。虽然其使用占空比较低的脉冲激光器，但几百瓦到千瓦的瞬间热功率散热仍需被重视。散热器安装在灯壳外部将增加空气对流，有助于散热，但固定的安装位置会给整合近光的水平调整机构带来困难。在灯壳内，激光雷达距外透镜和周边壳体距离不同，气流分布和散热效果也会不同，所以也需要依照具体器件散射需求采用合适的散热方式。在不同工况下设置不同的功率输出也是一种散热管理方式。实际上，汽车在行驶过程中，对远距离环境感知也会随车速增加而增加。车灯周围空气流动也会加快，有利于降低环境温度，也有利于激光雷达高性能工作；而在低速或驻车时，对远距离感知需求降低，车灯周围风速也会减慢，冷却效果下降，可以考虑降功率工作以保护器件。此外，使用波长对温度变化不敏感的激光器对稳定系统性能也有帮助。在太阳聚焦方面，激光雷达一般使用带通滤波片来减少环境光对系统的影响，允许通过的波长范围为几十纳米，可能造成的聚焦效应影响较小。

在原有造型中加入激光雷达这一新的部件，需要在各个车灯功能的位置和空间做整体协调。前照灯灯体内一般包括远近光、转向灯、位置灯、昼间行驶灯、角灯或全天候灯，某些车型也会将雾灯、转向、远近光、昼间行驶灯等功能安置在不同的灯体内。如果主机厂考虑扁平的车灯设计以增加科技感，也会给激光雷达的尺寸提出更高的要求。使用远近光一体或与自适应远光整合的近光模组，或将转向灯、位置灯和昼间行车灯三者共用光学元件都可以节省空间，必要时可以考虑使用多个灯体。适当增加车灯灯体中的空间，不仅可以缓解车灯内部空间过于紧凑的问题，也可以在外延空间使用更为平缓的外透镜，减少对激光雷达性能的影响。最后，在车灯的设计过程中，由于造型或光学功能需求，空间结构和外透镜造型会有调整和优化，激光雷达和灯厂间的相互协调也尤为重要。

3 总结

汽车车灯是激光雷达比较合理的安装位置，对整车造型的影响较小，也增加了外透镜的保护，但灯内的排布需要依照具体造型考虑适合的位置，过于倾斜的车灯造型需要适当调整激光雷达的安装角度平衡菲涅尔损耗。车灯外透镜对905nm、940nm、1550nm波长透过率高，对激光光路偏移角度的影响需要适当的光学补偿或软件修正。清洗装置与车灯的整合，有助于降低前照灯光学设计的难度，进而提高路面照明效果。激光雷达整合到近远光的水平调整机构将有助于动态修正测试范围，提高测试精度。激光雷达与车灯内各功能光源功率相当，可考虑不同工况下设置不同功率输出的热管理方式。适当增加车灯灯体的空间，不仅会降低整合过程中的难度，也会降低对激光雷达性能的影响。