激光雷達技術(shù)及其在自動駕駛領(lǐng)域的應用

1引言

激光雷達是一項主動式的現(xiàn)代光學測量技術(shù)，將傳統(tǒng)雷達技術(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，因此激光雷達具有一系列獨特的優(yōu)點:角分辨率高、距離分辨率高、速度分辨率高、測速范圍廣、能獲得目標的多種圖像、抗干擾能力強。激光雷達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。繼微波雷達之后，激光雷達把輻射源的頻率提高到光頻段，比毫米波高出兩到四個數(shù)量級，這使之能夠探測微小自然目標，包括大氣中的微小顆粒。同時激光雷達的體積和重量都比微波雷達小，應用更加靈活方便。它是通過對遠距離目標的散射光特性探測來獲取目標相關(guān)信息的光學測量技術(shù)。隨著超短脈沖激光技術(shù)、高靈敏度的信號探測和高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展和應用，激光雷達以它的高測量精度、精細的時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激光雷達原理

激光雷達工作時，首先由發(fā)射機發(fā)射一束特定功率的激光束，經(jīng)過空氣傳輸輻射到目標表面上，反射的回波由接收裝置接收，再對回波信號進行處理，提取有用信息。通過測量反射、散射回波信號的時間間隔、頻率變化、波束所指方向等就可以確定目標的距離、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，準確計算出目標表面回波點的三維坐標。若激光束不斷地掃描目標物，就可以得到目標物上全部目標點的數(shù)據(jù)，用此數(shù)據(jù)進行成像處理后，就可得到精確的三維立體圖像。至于目標的徑向速度，可以由反射光的多普勒頻移來確定。激光雷達探測原理如圖1所示，系統(tǒng)框圖如圖2所示。圖1激光雷達飛行時間法測距原理圖2典型的激光雷達系統(tǒng)框圖激光雷達在一些關(guān)鍵技術(shù)指標上遠遠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)十萬個點，對真實物體表面(如地面)的還原和建模帶來極大方便。同時，可調(diào)節(jié)點采集間隔，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，可以使激光雷達達到極高的測量精度。高精度測量激光雷達測量精度可達毫米以下，機載激光雷達測量精度也可達厘米級。（3）植被穿透能力強激光在植被中傳播時，可以在樹冠、樹枝、地面等多個高程發(fā)生反射，從而得到多次回波數(shù)，這是其他雷達所不具備的優(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地形成為可能。（4）不受太陽高度角和陰影影響激光雷達為主動測量式雷達，不依賴自然光，因而與傳統(tǒng)方式相比，其獲取數(shù)據(jù)的精度不受時間、太陽高度角和地物陰影的限制和影響，可以二十四小時全地形作業(yè)。（5）隱蔽性好、抗干擾能力強激光傳播方向性好、波束窄，只在傳播路徑上存在，難以發(fā)現(xiàn)和截獲。同時，激光雷達口徑小，且定向接收，只接收指向區(qū)域回波，接收干擾信號的概率極低。（6）體積小、重量輕、作業(yè)效率高激光雷達發(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，可應用的領(lǐng)域也更廣。

3激光雷達的發(fā)展歷史

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

4激光雷達分類和應用

激光雷達是激光、大氣光學、雷達、光機電一體化和電算等技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，幾乎涉及了物理學的各領(lǐng)域。目前激光雷達種類繁多，可以按照所用激光器、功能用途、運載平臺及探測技術(shù)進行分類。對于不同的用途激光雷達所選擇的激光器不同，大多數(shù)的激光雷達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。從實際工程和應用角度來說，激光雷達的分類方式繁多：·

按照激光波段來分，有紫外激光雷達、可見激光雷達和紅外激光雷達等。·

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

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

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

按照激光雷達的載荷平臺可分為便攜式激光雷達、地基激光雷達、車載激光雷達、機載激光雷達、船載激光雷達、星載激光雷達和彈載激光雷達等，不同的激光雷達測距范圍也不相同，如圖4所示。圖4不同激光雷達的測距范圍·按照激光雷達探測技術(shù)的不同，可以分為直接探測激光雷達和相干探測激光雷達兩種類型?！ぐ凑阵w制來分，有多普勒激光雷達、合成孔徑成像激光雷達、差分吸收激光雷達、相控陣激光雷達等。鑒于激光雷達能全天時對地觀測，受地面背景、天空背景干擾小，并具有高分辨率和高靈敏度，激光雷達可以廣泛應用在環(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)展和應用，激光雷達在自動駕駛領(lǐng)域的應用成為了新的熱點。圖5激光雷達應用領(lǐng)域一覽

5自動駕駛領(lǐng)域的應用

激光雷達在民用領(lǐng)域主要集中在一些智能設(shè)備上，如AGV小車、掃地機器人和自動駕駛領(lǐng)域，如表2所示。表2激光雷達在民用領(lǐng)域的應用自動駕駛成為當前汽車產(chǎn)業(yè)乃至整個科技行業(yè)中最受關(guān)注的技術(shù)之一；自動駕駛技術(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，自動駕駛技術(shù)將會廣泛出現(xiàn)在我們的生活之中，但美好的前景下也依然有著現(xiàn)實的困難。為汽車提供3D視覺功能的激光雷達是解決自動駕駛困難的關(guān)鍵技術(shù)。過去兩年里，超過8億美元被投入到激光雷達公司。盡管很多公司的創(chuàng)業(yè)時間很短，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技術(shù)還不成熟。初創(chuàng)企業(yè)、工業(yè)廠商、汽車一級供應商和汽車OEM廠商都在采用不同的方式進行投資布局，但是成功與否還不得而知。預計全球汽車激光雷達市場將在2023年達到50億美元，到2032年將達到280億美元。毫無疑問，汽車激光雷達目前正在迅速發(fā)展，但是存在替代方案。特斯拉（Tesla）宣布其不會將激光雷達應用于自動駕駛，而中國圖森公司正在開發(fā)沒有激光雷達的自動駕駛卡車。此外，最近發(fā)布的凱迪拉克超級巡航系統(tǒng)主要依賴于地圖。在技術(shù)方面，由于激光束的偏轉(zhuǎn)，汽車激光雷達獲得成像能力。視覺處理和人工智能正在幫助激光雷達更好地檢測和分類目標物體，從而理解三維空間。另外，紅外攝像頭也可以滿足夜視應用。所有這些技術(shù)都以驚人的速度提升，為激光雷達廠商創(chuàng)造了一個競爭激烈的空間。因此，確定哪種技術(shù)將最終“統(tǒng)治”自動駕駛汽車，還為時尚早。但是，我們相信各種傳感器之間的冗余性和互補性是汽車自動駕駛必須考慮的。5.1車載激光雷達的技術(shù)分析

激光雷達是自動駕駛汽車中最強大的傳感器之一。與雷達原理相似，激光雷達使用的技術(shù)是飛行時間法。具體而言，就是根據(jù)激光遇到障礙物后的折返時間，計算目標與自己的相對距離。激光光束可以準確測量視場中物體輪廓邊沿與設(shè)備間的相對距離，這些輪廓信息組成所謂的點云并繪制出三維環(huán)境地圖，精度可達到厘米級別。它可以區(qū)分真實移動中的行人和人物海報、在三維立體的空間中建模、檢測靜態(tài)物體、精確測距。谷歌自動駕駛公司W(wǎng)aymo在汽車上使用的激光雷達及傳感器布局圖如圖6所示。圖6谷歌自動駕駛汽車激光雷達及傳感器布局車載激光雷達按有無機械旋轉(zhuǎn)部件分類，包括機械激光雷達和固態(tài)激光雷達。機械激光雷達帶有控制激光發(fā)射角度的旋轉(zhuǎn)部件，而固態(tài)激光雷達則依靠電子部件來控制激光發(fā)射角度，無需機械旋轉(zhuǎn)部件。機械激光雷達由光電二極管、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機械激光雷達固態(tài)激光雷達與機械雷達不同，它通過光學相控陣列、光子集成電路以及遠場輻射方向圖等電子部件代替機械旋轉(zhuǎn)部件實現(xiàn)發(fā)射激光角度的調(diào)整。固態(tài)激光雷達常見的技術(shù)實現(xiàn)方式有三類：微機電（MEMS）、相控陣（OPA）和泛光面陣式（3DFlash）。泛光面陣式激光雷達是目前全固態(tài)激光雷達中最主流的技術(shù)。成像系統(tǒng)向外發(fā)射光源，發(fā)射出的光源到達物體表面后，一部分反射回圖像上的像素點。而由于物體表面到返回點的距離不同，其反射光飛行時間不同，通過對光飛行時間的測量，每個象素就可獲得獨立的距離信息，其探測范圍可達到百米以上。攝像頭可以實現(xiàn)百萬像素級別的分辨率快速三維成像。由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)有所差別，兩種激光雷達的體積大小也不盡相同。機械激光雷達體積較大、價格昂貴、測量精度相對較高，一般置于汽車外部。固態(tài)激光雷達尺寸較小、性價比較高、測量精度相對低一些，但可隱藏于汽車車體內(nèi)，不會破壞外形美觀，另外，裝配調(diào)試可以實現(xiàn)自動化，量產(chǎn)成本與量產(chǎn)時間可期待，因此，固態(tài)雷達被認為是未來的主要方向。激光雷達技術(shù)的對比如表3所示。表3車載激光雷達技術(shù)現(xiàn)狀對比根據(jù)線束數(shù)量的多少，激光雷達又可分為單線束激光雷達與多線束激光雷達。顧名思義，單線束激光雷達掃描一次只產(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)目標物體的3D信息。不過，由于單線束激光雷達具有測量速度快、數(shù)據(jù)處理量少等特點，多被應用于安全防護、地形測繪等領(lǐng)域。多線束激光雷達掃描一次可產(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，其細分可分為2.5D激光雷達及3D激光雷達。2.5D激光雷達與3D激光雷達最大的區(qū)別在于激光雷達垂直視野的范圍，前者垂直視野范圍一般不超過10°，而后者可達到30°甚至40°以上，這也就導致兩者對于激光雷達在汽車上的安裝位置要求有所不同。5.2車載激光雷達的產(chǎn)業(yè)鏈

激光雷達上下游產(chǎn)業(yè)鏈如圖8所示。圖8激光雷達的上下游產(chǎn)業(yè)鏈激光雷達系統(tǒng)復雜，涉及的核心元器件眾多，如光電探測器、激光器、準直鏡頭、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激光雷達核心元器件生產(chǎn)廠商5.3車載激光雷達的現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢

車載雷達分為長距離、中距離和短距離三類，如表5所示。目前，激光雷達廠商普遍使用830~940納米波長（中短距離激光雷達），車載激光雷達可適用不同等級的自動駕駛系統(tǒng)，需要符合安全規(guī)定（例如：緊急自動制動、前向碰撞），特別是在全自動駕駛汽車上，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)，這種波長允許在遠距離范圍內(nèi)對暗物體發(fā)出更高功率的脈沖，能夠使快速行駛的車輛及時發(fā)現(xiàn)危險并安全停車。表5車載激光雷達的技術(shù)應用全球激光雷達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全球激光雷達主流廠商目前車載激光雷達處于起步階段，行業(yè)呈現(xiàn)多技術(shù)路線并存的狀態(tài)，隨著時間的推