走進(jìn)自動(dòng)駕駛傳感器-激光雷達(dá)

激光雷達(dá)，也稱光學(xué)雷達(dá)（LIght Detection And Ranging）是激光探測(cè)與測(cè)距系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，它通過(guò)測(cè)定傳感器發(fā)射器與目標(biāo)物體之間的傳播距離，分析目標(biāo)物體表面的反射能量大小、反射波譜的幅度、頻率和相位等信息，從而呈現(xiàn)出目標(biāo)物精確的三維結(jié)構(gòu)信息。

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自上世紀(jì)60年代激光被發(fā)明不久，激光雷達(dá)就大規(guī)模發(fā)展起來(lái)。目前激光雷達(dá)廠商主要使用波長(zhǎng)為905nm和1550nm的激光發(fā)射器，波長(zhǎng)為1550納米的光線不容易在人眼液體中傳輸，這意味著采用波長(zhǎng)為1550納米激光的激光雷達(dá)的功率可以相當(dāng)高，而不會(huì)造成視網(wǎng)膜損傷。更高的功率，意味著更遠(yuǎn)的探測(cè)距離，更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，意味著更容易穿透粉塵霧霾。但受制于成本原因，生產(chǎn)波長(zhǎng)為1550納米的激光雷達(dá)，要求使用昂貴的砷化鎵材料。廠商更多選擇使用硅材料制造接近于可見(jiàn)光波長(zhǎng)的905nm的激光雷達(dá)，并嚴(yán)格限制發(fā)射器的功率，避免造成眼睛的永久性損傷。

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而測(cè)距原理上目前主要以飛行時(shí)間（time of flight）法為主，利用發(fā)射器發(fā)射的脈沖信號(hào)和接收器接受到的反射脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算和目標(biāo)物體的距離。

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也有使用相干法，即為調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達(dá)發(fā)射一束連續(xù)的光束，頻率隨時(shí)間穩(wěn)定地發(fā)生變化。由于源光束的頻率在不斷變化，光束傳輸距離的差異會(huì)導(dǎo)致頻率的差異，將回波信號(hào)與本振信號(hào)混頻并經(jīng)低通濾波后，得到的差頻信號(hào)是光束往返時(shí)間的函數(shù)。調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)不會(huì)受到其他激光雷達(dá)或太陽(yáng)光的干擾且無(wú)測(cè)距盲區(qū)；還可以利用多普勒頻移測(cè)量物體的速度和距離。調(diào)頻延續(xù)波LiDAR概念并不新穎，但是面對(duì)的技術(shù)挑戰(zhàn)不少，例如發(fā)射激光的線寬限制、線性調(diào)頻脈沖的頻率范圍、線性脈沖頻率變化的線性度，以及單個(gè)線性調(diào)頻脈沖的可復(fù)制性等。

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調(diào)幅連續(xù)波（AMCW）激光雷達(dá)與基本的飛行時(shí)間系統(tǒng)相似的是，調(diào)幅連續(xù)波激光雷達(dá)發(fā)射一個(gè)信號(hào)，測(cè)量激光反射回來(lái)的時(shí)間。但區(qū)別在于，時(shí)間飛行系統(tǒng)只發(fā)射一個(gè)脈沖，調(diào)幅連續(xù)波LiDAR通過(guò)改變激光二極管中的極電流來(lái)調(diào)整發(fā)射光強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制。

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激光雷達(dá)應(yīng)用于測(cè)繪主要有測(cè)距、定位以及地表物體的三維繪制；其達(dá)作為一種重要的傳感器，目前正在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域和無(wú)人飛行器領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

LiDAR的結(jié)構(gòu)

激光雷達(dá)主要包括激光發(fā)射、接收、掃描器、透鏡天線和信號(hào)處理電路組成。激光發(fā)射部分主要有兩種，一種是激光二極管，通常有硅和砷化鎵兩種基底材料，再有一種就是目前非常火熱的垂直腔面發(fā)射（VCSEL），VCSEL的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，體積極小，功耗極低，缺點(diǎn)是有效距離比較短，需要多級(jí)放大才能達(dá)到車用的有效距離。

激光雷達(dá)主要應(yīng)用了激光測(cè)距的原理，而如何制造合適的結(jié)構(gòu)使得傳感器能向多個(gè)方向發(fā)射激光束，如何測(cè)量激光往返的時(shí)間，這便區(qū)分出了不同的激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)。

機(jī)械式

以Velodyne 2007年推出了一款激光雷達(dá)為例，它把64個(gè)激光器垂直堆疊在一起，使整個(gè)單元每秒旋轉(zhuǎn)許多次。發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)存在物理意義上的轉(zhuǎn)動(dòng)，也就是通過(guò)不斷旋轉(zhuǎn)發(fā)射器，將激光點(diǎn)變成線，并在豎直方向上排布多束激光發(fā)射器形成面，達(dá)到3D掃描并接收信息的目的。但由于通過(guò)復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高頻準(zhǔn)確的的轉(zhuǎn)動(dòng)，平均的失效時(shí)間僅1000-3000小時(shí)，難以達(dá)到車廠最低13000小時(shí)的要求。

Velodyne 64線激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)示意圖

固態(tài)式(MEMS)

利用微電子機(jī)械系統(tǒng)的技術(shù)驅(qū)動(dòng)旋鏡，反射激光束指向不同方向。固態(tài)激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)包括了：數(shù)據(jù)采集速度快，分辨率高，對(duì)于溫度和振動(dòng)的適應(yīng)性強(qiáng)；通過(guò)波束控制，探測(cè)點(diǎn)（點(diǎn)云）可以任意分布，例如在高速公路主要掃描前方遠(yuǎn)處，對(duì)于側(cè)面稀疏掃描但并不完全忽略，在十字路口加強(qiáng)側(cè)面掃描。而只能勻速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械式激光雷達(dá)是無(wú)法執(zhí)行這種精細(xì)操作的。

光學(xué)相控陣式(OPA)

相控陣發(fā)射器由若干發(fā)射接收單元組成陣列，通過(guò)改變加載在不同單元的電壓，進(jìn)而改變不同單元發(fā)射光波特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)單元光波的獨(dú)立控制，通過(guò)調(diào)節(jié)從每個(gè)相控單元輻射出的光波之間的相位關(guān)系，在設(shè)定方向上產(chǎn)生互相加強(qiáng)的干涉從而實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度光束，而其他方向上從各個(gè)單元射出的光波彼此相消。組成相控陣的各相控單元在程序的控制下可使一束或多束高強(qiáng)度光束按設(shè)計(jì)指向?qū)崿F(xiàn)空域掃描。

相控陣激光雷達(dá)原理示意圖

但光學(xué)相控陣的制造工藝難度較大，這是由于要求陣列單元尺寸必需不大于半個(gè)波長(zhǎng)，普通目前激光雷達(dá)的任務(wù)波長(zhǎng)均在1微米左右，這就意味著陣列單元的尺寸必需不大于500納米。而且陣列數(shù)越多，陣列單元的尺寸越小，能量越往主瓣集中，這就對(duì)加工精度要求更高。此外，材料選擇也是十分關(guān)鍵的要素。

泛光面陣式（FLASH）

泛光面陣式是目前全固態(tài)激光雷達(dá)中最主流的技術(shù)，其原理也就是快閃，它不像MEMS或OPA的方案會(huì)去進(jìn)行掃描，而是短時(shí)間直接發(fā)射出一大片覆蓋探測(cè)區(qū)域的激光，再以高度靈敏的接收器，來(lái)完成對(duì)環(huán)境周圍圖像的繪制。

硬件參數(shù)

我們以目前最為成熟的車載MEMS式激光雷達(dá)為例，講解其關(guān)鍵的硬件參數(shù)。

視場(chǎng)角與分辨率

激光雷達(dá)視場(chǎng)角分為水平視場(chǎng)角和垂直視場(chǎng)角，水平視場(chǎng)角即為在水平方向上可以觀測(cè)的角度范圍，旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)旋轉(zhuǎn)一周為360°，所以水平視場(chǎng)角為360°。垂直視場(chǎng)角為在垂直方向上可以觀測(cè)的角度，一般為40°。而它并不是對(duì)稱均勻分布的，因?yàn)槲覀冎饕切枰獟呙杪访嫔系恼系K物，而不是把激光打向天空，為了良好的利用激光，因此激光光束會(huì)盡量向下偏置一定的角度。并且為了達(dá)到既檢測(cè)到障礙物，同時(shí)把激光束集中到中間感興趣的部分，來(lái)更好的檢測(cè)車輛，激光雷達(dá)的光束不是垂直均勻分布的，而是中間密，兩邊疏。下圖是禾賽64線激光雷達(dá)的光束示意圖，可以看到激光雷達(dá)的有一定的偏置，向上的角度為15°，向下的為25°，并且激光光束中間密集，兩邊稀疏。

禾賽64線激光雷達(dá)光束分布

回波模式

由于激光接收器是接收發(fā)射器發(fā)射的激光，可能存在一個(gè)發(fā)射器穿過(guò)多個(gè)物體，對(duì)應(yīng)的一個(gè)接收器接收到多個(gè)回波的情況。而回波模式即是調(diào)整輸出的數(shù)據(jù)包內(nèi)包含的內(nèi)容，在單回波模式下，每一個(gè)數(shù)據(jù)塊包括64個(gè)激光通道的測(cè)距數(shù)據(jù)，可選擇為最強(qiáng)回波還是最后回波。在雙回波模式下，每?jī)蓚€(gè)數(shù)據(jù)塊對(duì)應(yīng)64個(gè)激光在同一輪發(fā)光測(cè)距的不同回波數(shù)據(jù)，比如同時(shí)包含最強(qiáng)回波和最晚回波。

點(diǎn)頻

即周期采集點(diǎn)數(shù)，因?yàn)榧す饫走_(dá)在旋轉(zhuǎn)掃描，因此水平方向上掃描的點(diǎn)數(shù)和激光雷達(dá)的掃描頻率有一定的關(guān)系，掃描越快則點(diǎn)數(shù)會(huì)相對(duì)較少，掃描慢則點(diǎn)數(shù)相對(duì)較多。一般這個(gè)參數(shù)也被稱為水平分辨率，比如激光雷達(dá)的水平分辨率為0.2°，那么掃描的點(diǎn)數(shù)為360°/0.2°=1800，也就是說(shuō)水平方向會(huì)掃描1800次。

那么激光雷達(dá)旋轉(zhuǎn)一周，即一個(gè)掃描周期內(nèi)掃描的點(diǎn)數(shù)為1800*64=115200。比如禾賽64線激光雷達(dá)，掃描頻率為10Hz的時(shí)候水平角分辨率為0.2°，在掃描頻率為20Hz的時(shí)候角分辨率為0.4°（掃描快了，分辨率變低了）。輸出的點(diǎn)數(shù)和計(jì)算的也相符合115200 pts/s。

有效檢測(cè)距離

激光雷達(dá)是一個(gè)收發(fā)異軸的光學(xué)系統(tǒng)（其實(shí)所有的機(jī)械雷達(dá)都是），也就是說(shuō)，發(fā)射出去的激光光路，和返回的激光光路，并不重合。這主要是因?yàn)榧す獍l(fā)射器和接收器不能做在一起導(dǎo)致的，此方案本身便存在小量的誤差?，F(xiàn)在很多方案，都是向著共軸努力。

激光雷達(dá)的測(cè)距精度，隨著距離的變化而變化。有幾個(gè)原因：

我們這里說(shuō)的激光雷達(dá)，是指 TOF 激光雷達(dá)，TOF 測(cè)距，靠的是 TDC 電路提供計(jì)時(shí)，用光速乘以單向時(shí)間得到距離，但限于成本，TDC 一般由 FPGA 的進(jìn)位鏈實(shí)現(xiàn)，本質(zhì)上是對(duì)一個(gè)低頻的晶振信號(hào)做差值，實(shí)現(xiàn)高頻的計(jì)數(shù)。所以，測(cè)距的精度，強(qiáng)烈依賴于這個(gè)晶振的精度。而晶振隨著時(shí)間的推移，存在累計(jì)誤差；

距離越遠(yuǎn)，接收信號(hào)越弱，雷達(dá)自身的尋峰算法越難以定位到最佳接收時(shí)刻，這也造成了精度的劣化；

而由于激光雷達(dá)檢測(cè)障礙物的有效距離和最小垂直分辨率有關(guān)系，也就是說(shuō)角度分辨率越小，則檢測(cè)的效果越好。如果兩個(gè)激光光束之間的角度為0.4°，那么當(dāng)探測(cè)距離為200m的時(shí)候，兩個(gè)激光光束之間的距離為200m*tan0.4°≈1.4m。也就是說(shuō)在200m之后，只能檢測(cè)到高于1.4m的障礙物了。如果需要知道障礙物的類型，那么需要采用的點(diǎn)數(shù)就需要更多，距離越遠(yuǎn)，激光雷達(dá)采樣的點(diǎn)數(shù)就越少，可以很直接的知道，距離越遠(yuǎn)，點(diǎn)數(shù)越少，就越難以識(shí)別準(zhǔn)確的障礙物類型。