激光雷達(dá)技術(shù)及其在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的應(yīng)用

1引言

激光雷達(dá)是一項(xiàng)主動(dòng)式的現(xiàn)代光學(xué)測量技術(shù)，將傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)與激光技術(shù)相結(jié)合形成的新技術(shù)。由于激光具有高亮度性、高方向性、高單色性和高相干性等特點(diǎn)，因此激光雷達(dá)具有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):角分辨率高、距離分辨率高、速度分辨率高、測速范圍廣、能獲得目標(biāo)的多種圖像、抗干擾能力強(qiáng)。激光雷達(dá)是以激光作為信息載體，可以用振幅、相位、頻率和偏振來搭載信息的雷達(dá)技術(shù)，它不僅能夠精確測距，也能夠精確測速、精確跟蹤。繼微波雷達(dá)之后，激光雷達(dá)把輻射源的頻率提高到光頻段，比毫米波高出兩到四個(gè)數(shù)量級(jí)，這使之能夠探測微小自然目標(biāo)，包括大氣中的微小顆粒。同時(shí)激光雷達(dá)的體積和重量都比微波雷達(dá)小，應(yīng)用更加靈活方便。它是通過對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)的散射光特性探測來獲取目標(biāo)相關(guān)信息的光學(xué)測量技術(shù)。隨著超短脈沖激光技術(shù)、高靈敏度的信號(hào)探測和高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用，激光雷達(dá)以它的高測量精度、精細(xì)的時(shí)間和空間分辨率以及大的探測跨度已經(jīng)成為一種重要的物聯(lián)網(wǎng)檢測技術(shù)。2激光雷達(dá)原理

激光雷達(dá)工作時(shí)，首先由發(fā)射機(jī)發(fā)射一束特定功率的激光束，經(jīng)過空氣傳輸輻射到目標(biāo)表面上，反射的回波由接收裝置接收，再對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理，提取有用信息。通過測量反射、散射回波信號(hào)的時(shí)間間隔、頻率變化、波束所指方向等就可以確定目標(biāo)的距離、方位和速度等信息，然后結(jié)合激光器本身的位置信息和姿態(tài)角度信息，準(zhǔn)確計(jì)算出目標(biāo)表面回波點(diǎn)的三維坐標(biāo)。若激光束不斷地掃描目標(biāo)物，就可以得到目標(biāo)物上全部目標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，用此數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理后，就可得到精確的三維立體圖像。至于目標(biāo)的徑向速度，可以由反射光的多普勒頻移來確定。激光雷達(dá)探測原理如圖1所示，系統(tǒng)框圖如圖2所示。圖1激光雷達(dá)飛行時(shí)間法測距原理圖2典型的激光雷達(dá)系統(tǒng)框圖激光雷達(dá)在一些關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了其他遙感探測技術(shù)，使其在很多領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。具體包括：（1）數(shù)據(jù)密度大激光波束窄，探測次數(shù)多，因而采集數(shù)據(jù)量更大。每秒可測量數(shù)十萬個(gè)點(diǎn)，對(duì)真實(shí)物體表面(如地面)的還原和建模帶來極大方便。同時(shí)，可調(diào)節(jié)點(diǎn)采集間隔，大大提高了適用性和工作效率。（2）數(shù)據(jù)精度高由于激光波長短、頻率高，可以使激光雷達(dá)達(dá)到極高的測量精度。高精度測量激光雷達(dá)測量精度可達(dá)毫米以下，機(jī)載激光雷達(dá)測量精度也可達(dá)厘米級(jí)。（3）植被穿透能力強(qiáng)激光在植被中傳播時(shí)，可以在樹冠、樹枝、地面等多個(gè)高程發(fā)生反射，從而得到多次回波數(shù)，這是其他雷達(dá)所不具備的優(yōu)勢。特別是得到的地面回波數(shù)據(jù)，有效克服了植被影響，使精確探測地面真實(shí)地形成為可能。（4）不受太陽高度角和陰影影響激光雷達(dá)為主動(dòng)測量式雷達(dá)，不依賴自然光，因而與傳統(tǒng)方式相比，其獲取數(shù)據(jù)的精度不受時(shí)間、太陽高度角和地物陰影的限制和影響，可以二十四小時(shí)全地形作業(yè)。（5）隱蔽性好、抗干擾能力強(qiáng)激光傳播方向性好、波束窄，只在傳播路徑上存在，難以發(fā)現(xiàn)和截獲。同時(shí)，激光雷達(dá)口徑小，且定向接收，只接收指向區(qū)域回波，接收干擾信號(hào)的概率極低。（6）體積小、重量輕、作業(yè)效率高激光雷達(dá)發(fā)射口徑只有幾厘米，重量小的可以單人手持使用，相較其他雷達(dá)設(shè)備要輕便、靈巧得多，不但可以大量節(jié)約人力、物力資源，而且可以使工作變得更加簡單快捷，可應(yīng)用的領(lǐng)域也更廣。

3激光雷達(dá)的發(fā)展歷史

20世紀(jì)30年代，EHSynge提出了激光雷達(dá)的理論開始，在過去的近一百年里，激光雷達(dá)得到飛速發(fā)展，如圖3所示。圖3激光雷達(dá)發(fā)展史激光雷達(dá)的技術(shù)也發(fā)生了巨大進(jìn)步，光源、成像方式和檢測技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了激光雷達(dá)從第一代已經(jīng)發(fā)展到第四代，具體的技術(shù)細(xì)節(jié)如表1所示。表1激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)展情況一覽表

4激光雷達(dá)分類和應(yīng)用

激光雷達(dá)是激光、大氣光學(xué)、雷達(dá)、光機(jī)電一體化和電算等技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，幾乎涉及了物理學(xué)的各領(lǐng)域。目前激光雷達(dá)種類繁多，可以按照所用激光器、功能用途、運(yùn)載平臺(tái)及探測技術(shù)進(jìn)行分類。對(duì)于不同的用途激光雷達(dá)所選擇的激光器不同，大多數(shù)的激光雷達(dá)使用的是氣體或固體脈沖激光器，也有部分使用氣體連續(xù)激光器。目前激光雷達(dá)中常用的激光器有CO2激光器(9.2-11.2μm)，Er:YAG激光器（2μm）、拉曼頻移Raman-shiftedNd:YA激光器（1.54μm），Nd:YAG激光器(1.06μm)，GaAIAs半導(dǎo)體激光器（0.8-0.904μm），HeNe激光器（0.63μm）、倍頻Nd:YAG激光器（0.53μm）等。從實(shí)際工程和應(yīng)用角度來說，激光雷達(dá)的分類方式繁多：·

按照激光波段來分，有紫外激光雷達(dá)、可見激光雷達(dá)和紅外激光雷達(dá)等。·

按照激光器的工作介質(zhì)分，有固體激光雷達(dá)、氣體激光雷達(dá)、半導(dǎo)體激光雷達(dá)、二極管泵浦固體激光雷達(dá)等?！?/p>

按照激光發(fā)射波形分，有脈沖激光雷達(dá)、連續(xù)調(diào)制激光雷達(dá)等?！?/p>

按功能用途來分，有激光測距雷達(dá)、激光測速雷達(dá)、激光測角和跟蹤雷達(dá)、激光成像雷達(dá)、大氣探測激光雷達(dá)和生物激光雷達(dá)等?！?/p>

按照激光雷達(dá)的載荷平臺(tái)可分為便攜式激光雷達(dá)、地基激光雷達(dá)、車載激光雷達(dá)、機(jī)載激光雷達(dá)、船載激光雷達(dá)、星載激光雷達(dá)和彈載激光雷達(dá)等，不同的激光雷達(dá)測距范圍也不相同，如圖4所示。圖4不同激光雷達(dá)的測距范圍·按照激光雷達(dá)探測技術(shù)的不同，可以分為直接探測激光雷達(dá)和相干探測激光雷達(dá)兩種類型。·按照體制來分，有多普勒激光雷達(dá)、合成孔徑成像激光雷達(dá)、差分吸收激光雷達(dá)、相控陣激光雷達(dá)等。鑒于激光雷達(dá)能全天時(shí)對(duì)地觀測，受地面背景、天空背景干擾小，并具有高分辨率和高靈敏度，激光雷達(dá)可以廣泛應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測、海洋探測、森林調(diào)查、地形測繪、深空探測、軍事應(yīng)用等方面，如圖5所示。近年來，由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，激光雷達(dá)在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的應(yīng)用成為了新的熱點(diǎn)。圖5激光雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域一覽

5自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的應(yīng)用

激光雷達(dá)在民用領(lǐng)域主要集中在一些智能設(shè)備上，如AGV小車、掃地機(jī)器人和自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，如表2所示。表2激光雷達(dá)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用自動(dòng)駕駛成為當(dāng)前汽車產(chǎn)業(yè)乃至整個(gè)科技行業(yè)中最受關(guān)注的技術(shù)之一；自動(dòng)駕駛技術(shù)也已經(jīng)從瘋狂的科幻創(chuàng)意變成了汽車行業(yè)的未來。不出意外，自動(dòng)駕駛技術(shù)將會(huì)廣泛出現(xiàn)在我們的生活之中，但美好的前景下也依然有著現(xiàn)實(shí)的困難。為汽車提供3D視覺功能的激光雷達(dá)是解決自動(dòng)駕駛困難的關(guān)鍵技術(shù)。過去兩年里，超過8億美元被投入到激光雷達(dá)公司。盡管很多公司的創(chuàng)業(yè)時(shí)間很短，但是卻完成了數(shù)千萬美元的融資。據(jù)麥姆斯咨詢介紹，成立于2016年Blackmore最近從寶馬（BMW）和豐田（Toyota）獲得了1800萬美元資金。而2012年成立的Quanergy于2017年完成了1.8億美元的融資。這些投融資事件說明汽車激光雷達(dá)技術(shù)還不成熟。初創(chuàng)企業(yè)、工業(yè)廠商、汽車一級(jí)供應(yīng)商和汽車OEM廠商都在采用不同的方式進(jìn)行投資布局，但是成功與否還不得而知。預(yù)計(jì)全球汽車激光雷達(dá)市場將在2023年達(dá)到50億美元，到2032年將達(dá)到280億美元。毫無疑問，汽車激光雷達(dá)目前正在迅速發(fā)展，但是存在替代方案。特斯拉（Tesla）宣布其不會(huì)將激光雷達(dá)應(yīng)用于自動(dòng)駕駛，而中國圖森公司正在開發(fā)沒有激光雷達(dá)的自動(dòng)駕駛卡車。此外，最近發(fā)布的凱迪拉克超級(jí)巡航系統(tǒng)主要依賴于地圖。在技術(shù)方面，由于激光束的偏轉(zhuǎn)，汽車激光雷達(dá)獲得成像能力。視覺處理和人工智能正在幫助激光雷達(dá)更好地檢測和分類目標(biāo)物體，從而理解三維空間。另外，紅外攝像頭也可以滿足夜視應(yīng)用。所有這些技術(shù)都以驚人的速度提升，為激光雷達(dá)廠商創(chuàng)造了一個(gè)競爭激烈的空間。因此，確定哪種技術(shù)將最終“統(tǒng)治”自動(dòng)駕駛汽車，還為時(shí)尚早。但是，我們相信各種傳感器之間的冗余性和互補(bǔ)性是汽車自動(dòng)駕駛必須考慮的。5.1車載激光雷達(dá)的技術(shù)分析

激光雷達(dá)是自動(dòng)駕駛汽車中最強(qiáng)大的傳感器之一。與雷達(dá)原理相似，激光雷達(dá)使用的技術(shù)是飛行時(shí)間法。具體而言，就是根據(jù)激光遇到障礙物后的折返時(shí)間，計(jì)算目標(biāo)與自己的相對(duì)距離。激光光束可以準(zhǔn)確測量視場中物體輪廓邊沿與設(shè)備間的相對(duì)距離，這些輪廓信息組成所謂的點(diǎn)云并繪制出三維環(huán)境地圖，精度可達(dá)到厘米級(jí)別。它可以區(qū)分真實(shí)移動(dòng)中的行人和人物海報(bào)、在三維立體的空間中建模、檢測靜態(tài)物體、精確測距。谷歌自動(dòng)駕駛公司W(wǎng)aymo在汽車上使用的激光雷達(dá)及傳感器布局圖如圖6所示。圖6谷歌自動(dòng)駕駛汽車激光雷達(dá)及傳感器布局車載激光雷達(dá)按有無機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件分類，包括機(jī)械激光雷達(dá)和固態(tài)激光雷達(dá)。機(jī)械激光雷達(dá)帶有控制激光發(fā)射角度的旋轉(zhuǎn)部件，而固態(tài)激光雷達(dá)則依靠電子部件來控制激光發(fā)射角度，無需機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件。機(jī)械激光雷達(dá)由光電二極管、MEMS反射鏡、激光發(fā)射接受裝置等組成，其中機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件是指圖7中可360°控制激光發(fā)射角度的MEMS發(fā)射鏡。圖7機(jī)械激光雷達(dá)固態(tài)激光雷達(dá)與機(jī)械雷達(dá)不同，它通過光學(xué)相控陣列、光子集成電路以及遠(yuǎn)場輻射方向圖等電子部件代替機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件實(shí)現(xiàn)發(fā)射激光角度的調(diào)整。固態(tài)激光雷達(dá)常見的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式有三類：微機(jī)電（MEMS）、相控陣（OPA）和泛光面陣式（3DFlash）。泛光面陣式激光雷達(dá)是目前全固態(tài)激光雷達(dá)中最主流的技術(shù)。成像系統(tǒng)向外發(fā)射光源，發(fā)射出的光源到達(dá)物體表面后，一部分反射回圖像上的像素點(diǎn)。而由于物體表面到返回點(diǎn)的距離不同，其反射光飛行時(shí)間不同，通過對(duì)光飛行時(shí)間的測量，每個(gè)象素就可獲得獨(dú)立的距離信息，其探測范圍可達(dá)到百米以上。攝像頭可以實(shí)現(xiàn)百萬像素級(jí)別的分辨率快速三維成像。由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)有所差別，兩種激光雷達(dá)的體積大小也不盡相同。機(jī)械激光雷達(dá)體積較大、價(jià)格昂貴、測量精度相對(duì)較高，一般置于汽車外部。固態(tài)激光雷達(dá)尺寸較小、性價(jià)比較高、測量精度相對(duì)低一些，但可隱藏于汽車車體內(nèi)，不會(huì)破壞外形美觀，另外，裝配調(diào)試可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，量產(chǎn)成本與量產(chǎn)時(shí)間可期待，因此，固態(tài)雷達(dá)被認(rèn)為是未來的主要方向。激光雷達(dá)技術(shù)的對(duì)比如表3所示。表3車載激光雷達(dá)技術(shù)現(xiàn)狀對(duì)比根據(jù)線束數(shù)量的多少，激光雷達(dá)又可分為單線束激光雷達(dá)與多線束激光雷達(dá)。顧名思義，單線束激光雷達(dá)掃描一次只產(chǎn)生一條掃描線，其所獲得的數(shù)據(jù)為2D數(shù)據(jù)，因此無法區(qū)別有關(guān)目標(biāo)物體的3D信息。不過，由于單線束激光雷達(dá)具有測量速度快、數(shù)據(jù)處理量少等特點(diǎn)，多被應(yīng)用于安全防護(hù)、地形測繪等領(lǐng)域。多線束激光雷達(dá)掃描一次可產(chǎn)生多條掃描線，目前市場上多線束產(chǎn)品包括4線束、8線束、16線束、32線束、64線束等，其細(xì)分可分為2.5D激光雷達(dá)及3D激光雷達(dá)。2.5D激光雷達(dá)與3D激光雷達(dá)最大的區(qū)別在于激光雷達(dá)垂直視野的范圍，前者垂直視野范圍一般不超過10°，而后者可達(dá)到30°甚至40°以上，這也就導(dǎo)致兩者對(duì)于激光雷達(dá)在汽車上的安裝位置要求有所不同。5.2車載激光雷達(dá)的產(chǎn)業(yè)鏈

激光雷達(dá)上下游產(chǎn)業(yè)鏈如圖8所示。圖8激光雷達(dá)的上下游產(chǎn)業(yè)鏈激光雷達(dá)系統(tǒng)復(fù)雜，涉及的核心元器件眾多，如光電探測器、激光器、準(zhǔn)直鏡頭、掃描鏡、數(shù)模轉(zhuǎn)換器等。核心元器件目前主要是國外廠商壟斷，國內(nèi)很少有企業(yè)有能力自主量產(chǎn)。核心元器件廠商如表4所示。表4激光雷達(dá)核心元器件生產(chǎn)廠商5.3車載激光雷達(dá)的現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢

車載雷達(dá)分為長距離、中距離和短距離三類，如表5所示。目前，激光雷達(dá)廠商普遍使用830~940納米波長（中短距離激光雷達(dá)），車載激光雷達(dá)可適用不同等級(jí)的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，需要符合安全規(guī)定（例如：緊急自動(dòng)制動(dòng)、前向碰撞），特別是在全自動(dòng)駕駛汽車上，需要能夠探測10%低反射率的物體，為了保障行車安全，部分廠商（如Blackmore、neptec、Aeye、Luminar）已開展在1550納米波長的技術(shù)研發(fā)，這種波長允許在遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)對(duì)暗物體發(fā)出更高功率的脈沖，能夠使快速行駛的車輛及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)并安全停車。表5車載激光雷達(dá)的技術(shù)應(yīng)用全球激光雷達(dá)主流廠商仍然以外企為主，國內(nèi)比較有影響力的激光雷達(dá)生產(chǎn)企業(yè)有速騰聚創(chuàng)、北醒光子、鐳神智能、北科天繪、禾賽科技、光珀智能等，如表6所示。表6全球激光雷達(dá)主流廠商目前車載激光雷達(dá)處于起步階段，行業(yè)呈現(xiàn)多技術(shù)路線并存的狀態(tài)，隨著時(shí)間的推