自動駕駛商業(yè)化第一步，激光雷達(dá)是必備設(shè)備！

自動駕駛概念的提出，讓汽車行業(yè)的發(fā)展看到了新的可能，自動駕駛汽車想要商業(yè)化落地，是由硬件、軟件技術(shù)的提升；法律法規(guī)的制定；配套設(shè)施的完善及用戶對于自動駕駛汽車的認(rèn)可度提高所決定的，其中硬件、軟件技術(shù)是自動駕駛汽車走出商業(yè)化第一步的根本。

和我們在路上行走一樣，自動駕駛汽車想要獨(dú)立完成駕駛要求，自動駕駛汽車周圍環(huán)境的勘測是必不可少的，其中，激光雷達(dá)作為自動駕駛汽車難以繞開的一個硬件設(shè)備，在提及自動駕駛汽車時，總會成為交流的重點(diǎn)。物體檢測的策略分為：決策層融合，決策+特征層融合，以及特征層融合。在決策層融合中，圖像和點(diǎn)云分別得到物體檢測結(jié)果（BoundingBox），轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標(biāo)系后再進(jìn)行合并。激光雷達(dá)就是物體檢測中重要的硬件設(shè)備。

激光雷達(dá)的核心是一種光學(xué)遙感技術(shù)，它通過向待測目標(biāo)照射出光束，然后接收到待測目標(biāo)反射回來的信號與發(fā)射信號進(jìn)行比較，經(jīng)過處理后，獲得探測待測目標(biāo)的位置、速度等信息。激光雷達(dá)等應(yīng)用非常廣泛，在測繪學(xué)、考古學(xué)、地理學(xué)、地貌、地震、林業(yè)、遙感及大氣物理等方面都有應(yīng)用，此外，地圖測繪、高度測量等測繪需求，也可以通過激光雷達(dá)得以實現(xiàn)。激光雷達(dá)起源于1960年代初期，在激光發(fā)明后不久，透過激光對焦成像與透過使用感測器和數(shù)位搜集裝置測量信號回傳時間，及計算距離的能力結(jié)合而產(chǎn)生。激光雷達(dá)首個應(yīng)用是在氣象學(xué)，1971年阿波羅15號任務(wù)期間，用來探測月球表面，從而繪制月球地貌。激光雷達(dá)是激光技術(shù)與現(xiàn)代光電探測技術(shù)結(jié)合的先進(jìn)探測方式。由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng) 、信息處理等部分組成。發(fā)射系統(tǒng)是各種形式的激光器，如二氧化碳激光器、摻釹釔鋁石榴石激光器、半導(dǎo)體激光器及波長可調(diào)諧的固體激光器以及光學(xué)擴(kuò)束單元等組成；接收系統(tǒng)采用望遠(yuǎn)鏡和各種形式的光電探測器，如光電倍增管、半導(dǎo)體光電二極管、雪崩光電二極管、紅外和可見光多元探測器件等組合。激光雷達(dá)采用脈沖或連續(xù)波2種工作方式，探測方法按照探測的原理不同可以分為米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射、熒光、多普勒等激光雷達(dá)。

激光雷達(dá)也是集激光、全球定位系統(tǒng)與慣性測量裝置三種技術(shù)于一身的系統(tǒng)，相較于普通雷達(dá)，激光雷達(dá)具有分辨率高，隱蔽性好，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。激光雷達(dá)按照功能劃分為激光成像雷達(dá)、激光測距雷達(dá)、大氣探測雷達(dá)、激光測速雷達(dá)及跟蹤雷達(dá)等。激光成像雷達(dá)可用于探測和跟蹤目標(biāo)、獲得目標(biāo)方位及速度信息等。它還能夠完成普通雷達(dá)所不能完成的任務(wù)，如水雷、探測潛艇、隱藏的軍事目標(biāo)等等。激光測距雷達(dá)是通過對被測物體發(fā)射激光光束，并接收該激光光束的反射波，記錄該時間差，來確定被測物體與測試點(diǎn)的距離。傳統(tǒng)上，激光雷達(dá)可用于工業(yè)的安全檢測領(lǐng)域，我們經(jīng)常會在科幻片中看到激光墻，當(dāng)有人闖入時，系統(tǒng)會立馬做出反應(yīng)，發(fā)出警報提醒。另外，激光測距雷達(dá)在空間測繪領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。但隨著人工智能行業(yè)的興起，激光測距雷達(dá)已成為機(jī)器人體內(nèi)不可或缺的重要部件，配合SLAM技術(shù)使用，可幫助機(jī)器人進(jìn)行實時定位導(dǎo)航，實現(xiàn)自主行走。大氣探測激光雷達(dá)主要是用來探測大氣中的分子、煙霧的密度、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速及大氣中水蒸氣的濃度的，以達(dá)到對大氣環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測及對暴風(fēng)雨、沙塵暴等災(zāi)害性天氣進(jìn)行預(yù)報的目的。激光測速雷達(dá)是對物體移動速度的測量，通過對被測物體進(jìn)行兩次有特定時間間隔的激光測距，從而得到該被測物體的移動速度。

激光雷達(dá)測速的方法主要有兩大類，一類是基于激光雷達(dá)測距原理實現(xiàn)，即以一定時間間隔連續(xù)測量目標(biāo)距離，用兩次目標(biāo)距離的差值除以時間間隔就可得知目標(biāo)的速度值，速度的方向根據(jù)距離差值的正負(fù)就可以確定。這種方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，測量精度有限，只能用于反射激光較強(qiáng)的硬目標(biāo)。另一類測速方法是利用多普勒頻移。多普勒頻移是指目標(biāo)與激光雷達(dá)之間存在相對速度時，接收回波信號的頻率與發(fā)射信號的頻率之間會產(chǎn)生一個頻率差，這個頻率差就是多普勒頻移。跟蹤雷達(dá)可以連續(xù)的去跟蹤一個目標(biāo)，并測量該目標(biāo)的坐標(biāo)，提供目標(biāo)的運(yùn)動軌跡。不僅用于火炮控制、導(dǎo)彈制導(dǎo)、外彈道測量、衛(wèi)星跟蹤、突防技術(shù)研究等，而且在氣象、交通、科學(xué)研究等領(lǐng)域也在日益擴(kuò)大。

激光雷達(dá)根據(jù)探測方式可以分為直接探測激光雷達(dá)與相干探測激光雷達(dá)。直接探測型激光雷達(dá)的基本結(jié)構(gòu)與激光測距機(jī)頗為相近。工作時，由發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送一個信號，經(jīng)目標(biāo)反射后被接收系統(tǒng)收集，通過測量激光信號往返傳播的時間而確定目標(biāo)的距離。至于目標(biāo)的徑向速度，則可以由反射光的多普勒頻移來確定，也可以測量兩個或多個距離，并計算其變化率而求得速度。相干探測型激光雷達(dá)有單穩(wěn)與雙穩(wěn)之分，在所謂單穩(wěn)系統(tǒng)中，發(fā)送與接收信號共用一個光學(xué)孔徑，并由發(fā)送-接收開關(guān)隔離。而雙穩(wěn)系統(tǒng)則包括兩個光學(xué)孔徑，分別供發(fā)送與接收信號使用，發(fā)送-接收開關(guān)自然不再需要，其余部分與單穩(wěn)系統(tǒng)相同。激光雷達(dá)根據(jù)工作介質(zhì)可以分為半導(dǎo)體激光雷達(dá)、氣體激光雷達(dá)與固體激光雷達(dá)等。

半導(dǎo)體激光雷達(dá)能以高重復(fù)頻率方式連續(xù)工作，具有長壽命，小體積，低成本和對人眼傷害小的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于后向散射信號比較強(qiáng)的Mie散射測量，如探測云底高度。半導(dǎo)體激光雷達(dá)的潛在應(yīng)用是測量能見度，獲得大氣邊界層中的氣溶膠消光廓線和識別雨雪等，易于制成機(jī)載設(shè)備。目前芬蘭Vaisala公司研制的CT25K激光測云儀是半導(dǎo)體測云激光雷達(dá)的典型代表，其云底高度的測量范圍可達(dá)7500m。氣體激光雷達(dá)以CO2激光雷達(dá)為代表，它工作在紅外波段 ，大氣傳輸衰減小，探測距離遠(yuǎn)，已經(jīng)在大氣風(fēng)場和環(huán)境監(jiān)測方面發(fā)揮了很大作用，但體積大，使用的中紅外 HgCdTe探測器必須在77K溫度下工作,限制了氣體激光雷達(dá)的發(fā)展。固體激光雷達(dá)峰值功率高，輸出波長范圍與現(xiàn)有的光學(xué)元件與器件，輸出長范圍與現(xiàn)有的光學(xué)元件與器件(如調(diào)制器、隔離器和探測器）以及大氣傳輸特性相匹配等，而且很容易實現(xiàn)主振蕩器-功率放大器（MOPA）結(jié)構(gòu)，再加上效率高、體積小、重量輕、可靠性高和穩(wěn)定性好等導(dǎo)體，固體激光雷達(dá)優(yōu)先在機(jī)載和天基系統(tǒng)中應(yīng)用。近年來，激光雷達(dá)發(fā)展的重點(diǎn)是二極管泵浦固體激光雷達(dá)。激光雷達(dá)根據(jù)線束分可以分為單線激光雷達(dá)與多線激光雷達(dá)等。

單線激光雷達(dá)主要用于規(guī)避障礙物，其掃描速度快、分辨率強(qiáng)、可靠性高。由于單線激光雷達(dá)比多線和3D激光雷達(dá)在角頻率和靈敏度反映更加快捷，所以，在測試周圍障礙物的距離和精度上都更加精 確。但是，單線雷達(dá)只能平面式掃描，不能測量物體高度，有一定局限性。當(dāng)前主要應(yīng)用于服務(wù)機(jī)器人身上，如我們常見的掃地機(jī)器人。多線激光雷達(dá)主要應(yīng)用于汽車的雷達(dá)成像，相比單線激光雷達(dá)在維度提升和場景還原上有了質(zhì)的改變，可以識別物體的高度信息。多線激光雷達(dá)常規(guī)是2.5D，而且可以做到3D。目前在國際市場上推出的主要有 4線、8線、16 線、32 線和 64 線。但價格高昂，大多車企不會選用。激光雷達(dá)根據(jù)掃描方式可以分為Flash型激光雷達(dá)、相控陣激光雷達(dá)、MEMS型激光雷達(dá)、機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)等。Flash型激光雷達(dá)能快速記錄整個場景，避免了掃描過程中目標(biāo)或激光雷達(dá)移動帶來的各種麻煩，它運(yùn)行起來比較像攝像頭。激光束會直接向各個方向漫射，因此只要一次快閃就能照亮整個場景。隨后，系統(tǒng)會利用微型傳感器陣列采集不同方向反射回來的激光束。Flash LiDAR有它的優(yōu)勢，當(dāng)然也存在一定的缺陷。當(dāng)像素越大，需要處理的信號就會越多，如果將海量像素塞進(jìn)光電探測器，必然會帶來各種干擾，其結(jié)果就是精度的下降。相控陣激光雷達(dá)搭載的一排發(fā)射器可以通過調(diào)整信號的相對相位來改變激光束的發(fā)射方向。

目前大多數(shù)相控陣激光雷達(dá)還在實驗室里呆著，而現(xiàn)在仍停留在旋轉(zhuǎn)式或 MEMS 激光雷達(dá)的時代。MEMS 型激光雷達(dá)可以動態(tài)調(diào)整自己的掃描模式，以此來聚焦特殊物體，采集更遠(yuǎn)更小物體的細(xì)節(jié)信息并對其進(jìn)行識別，這是傳統(tǒng)機(jī)械激光雷達(dá)無法實現(xiàn)的。MEMS整套系統(tǒng)只需一個很小的反射鏡就能引導(dǎo)固定的激光束射向不同方向。由于反射鏡很小，因此其慣性力矩并不大，可以快速移動，速度快到可以在不到一秒時間里跟蹤到 2D 掃描模式。機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)是發(fā)展比較早的激光雷達(dá)，目前技術(shù)比較成熟，但機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，且各核心組件價格也都頗為昂貴，其中主要包括激光器、掃描器、光學(xué)組件、光電探測器、接收IC以及位置和導(dǎo)航器件等。由于硬件成本高，導(dǎo)致量產(chǎn)困難，且穩(wěn)定性也有待提升，目前固態(tài)激光雷達(dá)成為很多公司的發(fā)展方向。

激光雷達(dá)根據(jù)發(fā)射波形可以分為脈沖型激光雷達(dá)與連續(xù)型激光雷達(dá)。從激光的原理來看，連續(xù)激光就是一直有光出來，就像打開手電筒的開關(guān)，它的光會一直亮著（特殊情況除外）。連續(xù)激光是依靠持續(xù)亮光到待測高度，進(jìn)行某個高度下數(shù)據(jù)采集。由于連續(xù)激光的工作特點(diǎn)，某時某刻只能采集到一個點(diǎn)的數(shù)據(jù)。因為風(fēng)數(shù)據(jù)的不確定特性，用一點(diǎn)代表某個高度的風(fēng)況，顯然有些片面。因此有些廠家折中的辦法是采取旋轉(zhuǎn)360度，在這個圓邊上面采集多點(diǎn)進(jìn)行平均評估，顯然這是一個虛擬平面中的多點(diǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)的概念。脈沖激光輸出的激光是不連續(xù)的，而是一閃一閃的。脈沖激光的原理是發(fā)射幾萬個的激光粒子，根據(jù)國際通用的多普勒原理，從這幾萬個激光粒子的反射情況來綜合評價某個高度的風(fēng)況，這個是一個立體的概念，因此才有探測長度的理論。從激光的特性來看，脈沖激光要比連續(xù)激光測量的點(diǎn)位多幾十倍，更能夠精確的反應(yīng)出某個高度風(fēng)況。

激光雷達(dá)根據(jù)載荷平臺可以分為機(jī)載激光雷達(dá)、星載激光雷達(dá)、地基激光雷達(dá)及車載激光雷達(dá)等。機(jī)載激光雷達(dá)是將激光測距設(shè)備、GNSS設(shè)備和INS等設(shè)備緊密集成，以飛行平臺為載體，通過對地面進(jìn)行掃描，記錄目標(biāo)的姿態(tài)、位置和反射強(qiáng)度等信息，獲取地表的三維信息，并深入加工得到所需空間信息的技術(shù)。在軍民用領(lǐng)域都有廣泛的潛力和前景。機(jī)載激光雷達(dá)探測距離近，激光在大氣中傳輸時，能量受大氣影響而衰減，激光雷達(dá)的作用距離在20千米以內(nèi)，尤其在惡劣氣候條件下，比如濃霧、大雨和煙、塵，作用距離會大大縮短，難以有效工作。大氣湍流也會不同程度上降低激光雷達(dá)的測量精度。星載雷達(dá)采用衛(wèi)星平臺，運(yùn)行軌道高、觀測視野廣，可以觸及世界的每一個角落。為境外地區(qū)三維控制點(diǎn)和數(shù)字地面模型的獲取提供了新的途徑，無論對于國防或是科學(xué)研究都具有十分重大意義。星載激光雷達(dá)還具有觀察整個天體的能力，美國進(jìn)行的月球和火星等探測計劃中都包含了星載激光雷達(dá)，其所提供的數(shù)據(jù)資料可用于制作天體的綜合三維地形圖。此外，星載激光雷達(dá)載植被垂直分布測量、海面高度測量、云層和氣溶膠垂直分布測量以及特殊氣候現(xiàn)象監(jiān)測等方面也可以發(fā)揮重要作用。地基激光雷達(dá)可以獲取林區(qū)的3D點(diǎn)云信息，利用點(diǎn)云信息提取單木位置和樹高，它不僅節(jié)省了人力和物力，還提高了提取的精度，具有其它遙感方式所無法比擬的優(yōu)勢。通過對國內(nèi)外該技術(shù)林業(yè)應(yīng)用的分析和對該發(fā)明研究后期的結(jié)果驗證，未來將會在更大的研究區(qū)域利用該技術(shù)提取各種森林參數(shù)。車載激光雷達(dá)又稱車載三維激光掃描儀，是一種移動型三維激光掃描系統(tǒng)，可以通過發(fā)射和接受激光束，分析激光遇到目標(biāo)對象后的折返時間，計算出目標(biāo)對象與車的相對距離，并利用收集的目標(biāo)對象表面大量的密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率等信息，快速復(fù)建出目標(biāo)的三維模型及各種圖件數(shù)據(jù)，建立三維點(diǎn)云圖，繪制出環(huán)境地圖，以達(dá)到環(huán)境感知的目的。車載激光雷達(dá)在自動駕駛“造車”大潮中扮演的角色正越來越重要，諸如谷歌、百度、寶馬、博世、德爾福等企業(yè)，都在其自動駕駛系統(tǒng)中使用了激光雷達(dá)，帶動車載激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)迅速擴(kuò)大。激光雷達(dá)對于自動駕駛技術(shù)非常重要，也將決定自動駕駛技術(shù)何時落地的一大關(guān)鍵因素。

雖然激光雷達(dá)已經(jīng)出現(xiàn)多年，但依舊未能普及，究其原因主要是：

1）激光雷達(dá)的波束極窄，在空間搜索目標(biāo)非常困難，直接影響對非合作目標(biāo)的截獲概率和探測效率,只能在較小的范圍內(nèi)搜索、捕獲目標(biāo)，因而激光雷達(dá)較少單獨(dú)直接應(yīng)用于戰(zhàn)場進(jìn)行目標(biāo)探測和搜索。

2）激光一般在晴朗的天氣里衰減較小，傳播距離較遠(yuǎn)。而在大雨、濃煙、濃霧等壞天氣里，衰減急劇加大，傳播距離大受影響。

3）激光雷達(dá)成本較高，而且體積較大，這也是影響特斯拉采用純視覺方案的一大原因。目前，激光雷達(dá)的技術(shù)還有很大的提升空間，無論是造車新勢力，還是傳統(tǒng)主機(jī)廠，亦或是互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，都在開始布局自動駕駛，據(jù)統(tǒng)計，目前已至少有20家車企和自動駕駛公司宣布將激光雷達(dá)作為感知套件的一部分，進(jìn)而量產(chǎn)L3級以上自動駕駛技術(shù)?？梢哉f，激光雷達(dá)現(xiàn)已成為智能汽車實現(xiàn)高級別自動駕駛的標(biāo)準(zhǔn)配置。希望能在自動駕駛這條賽道上獲得主動權(quán)，但自動駕駛汽車并不是將硬件軟件堆積在一起的一個產(chǎn)物，需要將整車做到有效信息共享與融合。攝像頭，毫米波雷達(dá)，超聲波雷達(dá)，激光雷達(dá)，作為目前自動駕駛領(lǐng)域最為常用的4種自動駕駛傳感器方案，其在探測距離、分辨率、角分辨率等探測參數(shù)各異，對應(yīng)于物體探測能力、識別分類能力、三維建模、抗惡劣天氣等特性各有優(yōu)劣。隨著技術(shù)的發(fā)展，激光雷達(dá)技術(shù)也將獲得提升，自動駕駛技術(shù)也將更快得以商業(yè)化。對于激光雷達(dá)，歡迎留言討論。