激光雷達(dá)LIDAR的工作原理及特點應(yīng)用分析

最近Velodyne挑起的激光雷達(dá)LiDAR專利之戰(zhàn)成為了業(yè)界熱點?？梢哉f在嚴(yán)苛的自動駕駛系統(tǒng)中激光雷達(dá)成為一種不可替代的傳感器。今天讓我們詳細(xì)聊聊激光雷達(dá)LIDAR是怎么回事。

什么是激光雷達(dá)LIDAR

激光雷達(dá)LiDAR的全稱為Light Detection and Ranging激光探測和測距，又稱光學(xué)雷達(dá)。

激光雷達(dá)的工作原理：對人畜無害的紅外光束Light Pluses發(fā)射、反射和接收來探測物體。能探測的對象：白天或黑夜下的特定物體與車之間的距離。甚至由于反射度的不同，車道線和路面也是可以區(qū)分開來的。哪些物體無法探測：光束無法探測到被遮擋的物體。

激光雷達(dá)LiDAR示意圖

車用激光雷達(dá)工作原理就是蝙蝠測距用的回波時間（Time of Flight，縮寫為TOF）測量方法。但要知道光速是每秒30萬公里。要區(qū)分目標(biāo)厘米級別的精確距離，那對傳輸時間測量分辨率必須做到1納秒。要如此精確的測量時間，因此對應(yīng)的測量系統(tǒng)的成本就很難降到很低，需要使用巧妙的方法降低測量難度。

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激光雷達(dá)LiDAR工作原理

通過旋轉(zhuǎn)的機(jī)械鏡面測量激光發(fā)出和收到回波的時間差，從而確定目標(biāo)的方位和距離。由于激光雷達(dá)主動發(fā)射激光，因此受環(huán)境光變化的影響小，測距精確。

什么是激光雷達(dá)LIDAR的技術(shù)關(guān)鍵

典型激光雷達(dá)LiDAR系統(tǒng)組成

典型激光雷達(dá)LiDAR系統(tǒng)組成括激光發(fā)射光源、接收器、伺服電機(jī)、斜面鏡和光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器（又稱圓光柵）。

激光雷達(dá)LiDAR關(guān)鍵部件

激光雷達(dá)LiDAR關(guān)鍵部件按照信號處理的信號鏈包括控制硬件DSP（數(shù)字信號處理器）、激光驅(qū)動、激光發(fā)射發(fā)光二極管、發(fā)射光學(xué)鏡頭、接收光學(xué)鏡頭、APD（雪崩光學(xué)二極管）、TIA（可變跨導(dǎo)放大器）和探測器。其中除了發(fā)射和接收光學(xué)鏡頭外，都是電子部件。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速演進(jìn)，性能逐步提升的同時成本迅速降低。但是光學(xué)組件和旋轉(zhuǎn)機(jī)械則占具了激光雷達(dá)的大部分成本。

激光雷達(dá)LIDAR的應(yīng)用挑戰(zhàn)

a. 繞不開的基礎(chǔ)專利

Velodyne激光雷達(dá)LiDAR基礎(chǔ)專利

第一大挑戰(zhàn)就是繞不開的Velodyne基礎(chǔ)專利。此次專利大戰(zhàn)的主角Velodyne可以說是美國政府通過自動駕駛挑戰(zhàn)賽一手扶植起來的業(yè)界老大。2007年Velodyne申請的基礎(chǔ)專利US7969558囊括了幾乎所有高精度激光雷達(dá)所需的基礎(chǔ)技術(shù)。其實并不是針對國內(nèi)的禾賽和速騰聚創(chuàng)，國外的谷歌Waymo和Uber都被拉進(jìn)了專利之爭。而禾賽目前已經(jīng)在北美是僅次于Velodyne的激光雷達(dá)供應(yīng)商。而速騰聚創(chuàng)則是國內(nèi)出貨量最高的激光雷達(dá)企業(yè)?？芍^樹大招風(fēng)。

Velodyne激光雷達(dá)LiDAR基礎(chǔ)專利細(xì)節(jié)

該基礎(chǔ)專利不僅包括了主流的基于伺服電機(jī)機(jī)械旋轉(zhuǎn)光學(xué)組件，而且包括了之前提到的特殊信號處理原理。通過精確的激光發(fā)射時長控制，來將對回波時間的測量轉(zhuǎn)化成單位時間進(jìn)光量的測量。從而在提高精度的同時降低設(shè)計難度。

b. 居高不下的成本

最早由谷歌提出的自動駕駛汽車基于置于車頂?shù)?60度機(jī)械旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)實現(xiàn)。它的性能非常好，但是相應(yīng)的也具有成本過高（幾千美元級別），體積大、外部可見等劣勢。

因此激光雷達(dá)成本問題亟待解決，固態(tài)化成為大勢所趨。

激光雷達(dá)LIDAR市場應(yīng)用如何

1. Velodyne激光雷達(dá)汽車應(yīng)用

Velodyne激光雷達(dá)發(fā)展路線

Velodyne激光雷達(dá)廣泛應(yīng)用于自動駕駛的測試車型中。最早谷歌提出的自動駕駛汽車就是基于置于車頂?shù)臋C(jī)械旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)產(chǎn)品實現(xiàn)的。它其實就是來自Velodyne公司的64波束激光雷達(dá)。而這款產(chǎn)品當(dāng)初價格驚人的超過了7萬美金。如圖，從左至右分別為Velodyne的64波束、32波束以及16波束激光雷達(dá)產(chǎn)品。

2. 法雷奧SCALA激光掃描傳感器汽車應(yīng)用

奧迪A8配備的低成本激光掃描傳感器

奧迪是目前唯一量產(chǎn)L3級別自動駕駛車型的整車廠。為了應(yīng)對激光雷達(dá)量產(chǎn)的挑戰(zhàn)，奧迪找到了一種更小巧的激光掃描傳感器方案。全新奧迪A8保險杠處的一個圓弧狀傳感器是小型化激光掃描傳感器。在外形不需旋轉(zhuǎn)的前提下可以達(dá)到145度的水平視角，80米遠(yuǎn)的探測距離。其激光二極管每秒可發(fā)射近10萬次紅外線脈沖，控制系統(tǒng)會根據(jù)紅外線脈沖的反射情況計算出前方物體的詳細(xì)輪廓。

激光雷達(dá)LIDAR未來發(fā)展方向

激光雷達(dá)LiDAR未來發(fā)展方向

未來通過半導(dǎo)體技術(shù)代替原來的機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件和光學(xué)組件將是業(yè)界主流。在繞開基礎(chǔ)專利的同時可以大幅降低激光雷達(dá)的成本。其中高性能長距離激光雷達(dá)將專注于基于半導(dǎo)體的微機(jī)械鏡頭控制激光發(fā)射光束的掃描。而中距離低成本方案則朝向固態(tài)Flash激光雷達(dá)的方向發(fā)展。接收部分為半導(dǎo)體光學(xué)探測陣列。通過類似攝像頭的接收點整，在采集圖像的同時記錄目標(biāo)的距離信息。

綜上所述，激光雷達(dá)技術(shù)正隨著自動駕駛的興起引起廣泛關(guān)注。但是繞不開的基礎(chǔ)專利和居高不下的成本帶來諸多挑戰(zhàn)仍急需解決。無疑半導(dǎo)體技術(shù)將推動激光雷達(dá)快速發(fā)展。讓我們拭目以待吧。