MSME激光雷达和短波红外

测距方式

• 三角测距法
       三角法的优点是原理简单、成本低廉，只需要普通的激光发射器和线阵 CCD 探测器即可实现测距。在近距离下探测精度较高，比如在双目视觉、结构光测距上使用。缺点是在远距离探测时，探测误差会呈几何量级增长导致探测效果较差。另外，在阳光直射的情况下，反射光斑通常会淹没在太阳光中也会导致失效，
• PTOF测距法
       由于光的飞行速度极快，因此需要一个非常精细的时钟电路（要求皮秒（ps）级），以及脉宽极窄的激光发射电路（要求是 ns 级），因此开发难度和门槛较高，但能达到百米级别的探测距离。
• AMCW（调幅连续波）
       光的飞行时间极快，直接测量光子飞行时间难度较大，AMCW通过间接的方式获取光的飞行时间。通过将光波的强度进行调制（如正弦波或三角波等），使光波在投射到物体后返回探测器的过程中在光强波形上形成一个相位差，那么通过测量相位差，就可以间接获取光的飞行时间，从而计算距离。另外，其独特的探测方式比较方便实现固态面阵 FLASH 扫描。

MEMS激光雷达

介绍
     和光学相控阵（OPA）激光雷达作为全固态激光雷达相比，MEMS体积大幅减少，装配可靠性高，但受到芯片成熟度不足等各种问题的牵制，离落地还有一段较长的路要走。闪光（Flash）激光雷达暂时无法同时满足远距离成像的要求，但随着单光子面阵探测技术的成熟，有望成为未来的激光雷达技术路线方向。
     MEMS微镜振动按原理区分，主要包括四种：静电驱动、电磁驱动、电热驱动、压电驱动。其中前两种技术比较成熟，MEMS微振镜代替宏观机械式扫描器在微观尺度上实现激光雷达发射端的光束操纵方式”称为“混合固态”。同时，把采用上述光束操纵方式的激光探测和测距系统称为混合固态激光雷达或MEMS激光雷达。MEMS微振镜是一种硅基半导体元器件，属于固态电子元件；但是MEMS微振镜并不“安分”，内部集成了“可动”的微型镜面；由此可见MEMS微振镜兼具“固态”和“运动”两种属性，
为何可以降低成本
     MEMS微振镜的引入可以减少激光器和探测器数量，极大地降低成本。传统的机械式激光雷达要实现多少线束，就需要多少组发射模块与接收模块。而采用二维MEMS微振镜，仅需要一束激光光源，通过一面MEMS微振镜来反射激光器的光束，两者采用微秒级的频率协同工作，通过探测器接收后达到对目标物体进行3D扫描的目的。与多组发射/接收芯片组的机械式激光雷达结构相比，MEMS激光雷达对激光器和探测器的数量需求明显减少。从成本角度分析，N线机械式激光雷达需要N组IC芯片组：跨阻放大器（TIA）、低噪声放大器（LNA）、比较器（Comparator）、模数转换器（ADC）等。
技术难点
     MEMS微振镜在投影显示等领域的成功无法复制到车载激光雷达。MEMS微振镜属于振动敏感性器件，车载环境下的振动和冲击容易对它的使用寿命和工作稳定性产生不良影响，使得激光雷达的测量性能恶化。因此，有必要对MEMS微振镜的隔离振动技术进行深入研究。MEMS微振镜尺寸缩小了，但带来的问题是限制了MEMS激光雷达的光学口径、扫描角度，视场角也会变小。为了获得最大化的光学口径，MEMS激光雷达厂商追求大尺寸MEMS镜面。但芯片尺寸越大，成本越高,同时对缺陷越敏感，同一片晶圆制造出来的芯片良率与单颗芯片尺寸成反比。同时，尺寸大带来的问题是扫描频率的降低，可能无法满足车载激光雷达实时测距和成像的要求，需要权衡尺寸和频率。
     同时，为了获得较大的扫描角度，需要大偏转角度的MEMS微振镜。但是，扫描系统分辨率由镜面尺寸与最大偏转角度的乘积共同决定，镜面尺寸与偏转角度是一对无法调和的“冤家”。解决该问题的方向有两个：（1）通过调制驱动电压频率，让MEMS微振镜处于谐振工作状态，此时最大偏振角度会被放大；（2）通过光学组件（如透镜、衍射光学元件、液晶空间调制器）进行扩束，放大最大偏振角度。不过，扩束又会带来众多纷繁复杂的技术问题，

              机械式激光雷达（左）            MEMS激光雷达（中）            OPA激光雷达（右）

     受限于MEMS微振镜的镜面尺寸，MEMS激光雷达接收端的收光孔径非常小，目前MEMS微振镜面尺寸在5mm左右价格在千元以上，受限于MEMS微振镜的镜面尺寸和偏转角度，MEMS激光雷达扫描角度偏小。

     目前MEMS微振镜很难满足-40℃到125℃的工作范围。在实际应用过程中，MEMS微振镜的材料属性（如杨氏模量和剪切模量）会随着环境温度的改变而发生变化，从而导致微振镜运动特性的变化。
     关于激光雷达接收端，只有一小部分脉冲发射的光子可以到达接收端光电探测器的有效区域。如果大气衰减沿脉冲路径不变化，激光光束发散度可忽略不计，光斑尺寸小于目标物体时，入射角垂直于探测器且反射体是朗伯体（所有方向均反射），则光接收峰值功率$P(R)$为：

     其中，$P0$为发射激光脉冲的光峰值功率，$ρ$为目标反射率，$A0$为接收器的孔径面积，$η0$为探测光的光谱透射，$γ$为大气衰减系数。
根据公式，光接收峰值功率与接收器孔径面积成正比。因此，MEMS微振镜的镜面尺寸小的“硬伤”，让MEMS激光雷达在接收信号时收光孔径大大受限，光接收峰值功率也难以达到要求！
     在光源的选择上，选用1550nm短波红外光纤激光器 其人眼安全阈值远高于905nm激光。因此在安全范围内可以大幅度功率，从而提高接收端的峰值功率，更适用于远距离探测；在光电探测器方面，选用阵列接收器。

短波红外(SWIR)

    - 近红外 NIR(Near Infrared) : 750~1100nm
    - 短波红外SWIR (Short Wave Infrared) : 1100~2500nm 
    - 中波红外MWIR (Mid Wave Infrared) : 3000~5000nm  
    - 长波红外 LWIR(Long Wave Infrared) : 7000~14000nm 

     短波红外(SWIR)的范围占据了电磁频谱略高于近红外。在1050到2500纳米之间，短波红外范围远远超出了标准硅基成像传感器的探测能力。硅的量子效率在800纳米以上迅速衰减，因此，由于这种SWIR传感器往往建立在替代化学成分的基础上，包括铟镓砷化镓(InGaAs)和汞碲化镉(MCT)，InGaAs传感器也能提供高检测性能和快速响应，更多的用在军事、科研和航空航天应用。也有更现代的SWIR成像仪也在利用单个传感器架构，比如量子点技术，使用CMOS工艺技术。

     SWIR最有前途的视觉应用之一，可以检测由每种材料的化学和物理特性所确定的独特光谱响应。比如水在1450纳米和1900纳米都有很强的吸附性，所以成像几乎是黑色的。因此，使用合适的光源或过滤器可以检测物体的水分含量。也可以穿透塑料，

     中波红外(MWIR)光谱是MCT相机更有效的地方。位于该光谱附近的SWIR波长具有该光谱区域捕捉物体发射能量的能力。在这个范围内的光子不太容易受到较小直径粒子引起的瑞利散射的影响，因为它们的波长相对较长，可以透过烟雾、沙粒、雨滴等障碍。