光學(xué)濾光片在自動駕駛中究竟解決什么問題
一片窄帶濾光片在分光光度計(jì)上檢測正常,裝進(jìn)激光雷達(dá)樣機(jī)后,車輛進(jìn)入強(qiáng)光環(huán)境時(shí),有效回波卻可能變?nèi)?;在某些接收光路中,不同視場位置的響?yīng)也可能出現(xiàn)差異。
這里最容易被懷疑的是峰值透過率。但實(shí)際問題往往不只在濾光片單片。
光學(xué)濾光片在自動駕駛中的應(yīng)用,核心并不是簡單“擋住雜光”,而是在真實(shí)溫度和實(shí)際接收角度下,盡可能保留目標(biāo)激光回波,同時(shí)減少進(jìn)入探測器的帶外背景光。濾光片能否發(fā)揮預(yù)期作用,取決于它與激光器、接收光路和探測器是否真正匹配。

濾光片不識別障礙物,它負(fù)責(zé)控制接收光譜
激光雷達(dá)發(fā)射激光脈沖,光線遇到車輛、行人或路面后形成回波,再經(jīng)過接收鏡頭和濾光片進(jìn)入光電探測器。
戶外太陽光覆蓋很寬的光譜范圍。接收端帶通或窄帶濾光片將接收窗口限制在目標(biāo)激光附近,并衰減通帶之外的環(huán)境光。在其他條件不變的情況下,這可以減少進(jìn)入探測器的背景光功率,降低相關(guān)背景噪聲,并減少探測器動態(tài)范圍被無關(guān)光占用的風(fēng)險(xiǎn)。

但濾光片不能識別光線來自目標(biāo)還是干擾源。如果其他激光雷達(dá)或紅外光源的信號落在通帶內(nèi),濾光片仍可能讓它通過。由本機(jī)激光在雨、霧或塵埃中產(chǎn)生的同波段后向散射,也無法單純依靠窄帶濾光片消除。
濾光片不會增加激光發(fā)射功率,也不能單獨(dú)決定測距距離和點(diǎn)云質(zhì)量。接收口徑、目標(biāo)反射特性、探測器響應(yīng)、時(shí)間門控以及信號處理,都會影響最終結(jié)果。
知道是905nm或1550nm,還不足以確定濾光片
905nm和1550nm是車載激光雷達(dá)常見的工作波段,但“激光器標(biāo)稱905nm”并不代表它在所有溫度、驅(qū)動條件和器件批次下都固定輸出905.000nm。兩種波段所采用的光源和探測器技術(shù)路線也存在差異,不能簡單理解為只需修改濾光片的中心波長。

半導(dǎo)體激光器通常具有一定的發(fā)射光譜寬度,其中心位置還可能受到工作溫度、驅(qū)動電流和器件差異影響。因此,濾光片通帶需要覆蓋激光器在預(yù)期工況下的實(shí)際波長范圍,同時(shí)考慮濾光片自身的制造公差、溫度特性和角度偏移。
中心波長和半峰全寬(FWHM)可以描述濾光片的通帶位置與寬度,但不能代替完整的通帶要求。實(shí)際評估時(shí),還應(yīng)明確需要透過的波長區(qū)間,以及該區(qū)間內(nèi)要求的是峰值、平均值還是最低透過率。
在其他條件相同、有效回波始終位于通帶內(nèi)的前提下,縮窄帶寬通??梢詼p少寬譜背景光進(jìn)入探測器。但如果通帶窄到無法覆蓋光源漂移、濾光片公差和角度變化,背景光雖然減少了,有效回波也可能被一起削弱。
所以,正確目標(biāo)不是單純追求更窄的FWHM,而是在覆蓋全部有效回波條件的基礎(chǔ)上,盡量縮小不需要的背景光窗口。

正入射曲線合格,不代表實(shí)際光路一定合格
干涉型濾光片對入射角比較敏感。隨著入射角增大,其光譜特征通常會向短波方向移動,也就是常說的藍(lán)移;透過率和通帶形狀也可能隨之變化。
不過,大視場并不必然等于濾光片承受很大的入射角。真正需要確認(rèn)的是濾光片安裝位置處的光線角度分布。
如果濾光片位于會聚光束或非遠(yuǎn)心接收光路中,不同視場和不同孔徑位置的光線可能以不同角度入射。此時(shí),實(shí)際光譜響應(yīng)可能表現(xiàn)為通帶偏移、展寬或峰值透過率下降,而不只是整條曲線簡單平移。
如果檢測報(bào)告是在準(zhǔn)直光束、接近正入射的條件下獲得,而濾光片裝入系統(tǒng)后承受一組較寬的入射角,那么單條0°光譜曲線就不足以代表實(shí)際工作狀態(tài)。
較大斜入射下,還可能出現(xiàn)S偏振與P偏振的光譜差異。因此,是否需要考慮偏振,應(yīng)該根據(jù)實(shí)際入射角和接收光路判斷,而不是所有激光雷達(dá)濾光片都機(jī)械加入偏振要求。
OD不能脫離截止波段單獨(dú)討論
OD用于表示濾光片對非目標(biāo)光的衰減能力,其關(guān)系為:
OD=?log??(T)
其中,T是以小數(shù)表示的透過率。當(dāng)T為0.0001,也就是0.01%時(shí),對應(yīng)OD4。
但“需要OD4”仍不是完整規(guī)格。還必須說明在哪一段波長范圍內(nèi)達(dá)到該OD,以及采用最低值、平均值還是其他判定方式。
真正有意義的截止范圍,應(yīng)結(jié)合太陽光譜、探測器響應(yīng)范圍、接收光學(xué)系統(tǒng)以及可能存在的其他紅外光源確定。濾光片在探測器幾乎不響應(yīng)的波段實(shí)現(xiàn)很深的截止,未必能夠明顯改善系統(tǒng)性能,反而可能增加膜系復(fù)雜度和制造難度。
同樣,峰值透過率很高,不代表整個(gè)有效激光波段都能穩(wěn)定通過;帶外OD很高,也不代表目標(biāo)回波一定足夠強(qiáng)。更可靠的判斷方法,是把激光器在不同工況下的發(fā)射光譜、濾光片在實(shí)際角度和溫度下的透過曲線、探測器響應(yīng)以及背景光譜放在一起評估。
