淺析車載激光雷達的關鍵技術及分類

激光雷達并非是近幾年才出現(xiàn)的新興產(chǎn)品。早在上世紀六十年代，美國加利福尼亞州休斯航空公司實驗室的研究員西奧多·梅曼等人就研制成功世界上第一臺激光雷達，激光作為一種全新的測量工具開始受到極大的關注。

激光雷達（LiDAR）最早的應用是機載測繪。其最早走入公眾視野，則是在1971年阿波羅執(zhí)行15號任務期間宇航員采用一種LiDAR設備——激光高度計來繪制月球表面圖。由此，LiDAR的精準度和用處得到了證明。九十年代，以激光雷達三位掃描儀為代表的激光雷達真正實現(xiàn)商業(yè)化，從此進入一個高速發(fā)展期。

50多年過去，LiDAR技術從最簡單的激光測距技術開始，逐步發(fā)展出激光跟蹤、激光掃描成像、激光多普勒成像等技術，同時，LiDAR應用領域也逐漸拓展。到了2005年，美國國防部高級研究計劃署（DARPA）舉辦了一場無人駕駛挑戰(zhàn)賽，激光雷達首次亮相與無人駕駛技術。很多人從這次比賽中開始認識激光雷達。LiDAR作為無人駕駛的核心部件，隨著無人駕駛技術的發(fā)展和無人駕駛汽車的正式上路，汽車行業(yè)將成為LiDAR市場增長的主要貢獻者。

雷達（RADAR - Radio detection and ranging）是無線電探測和測距， 即發(fā)射電磁波對目標進行照射并接收其回波，由此獲得目標的距離、速度、方位、高度等信息。傳統(tǒng)的雷達是以微波作為載波的雷達，大約出現(xiàn)在1935年；按雷達頻段分，可分為超視距雷達、微波雷達、毫米波雷達以及激光雷達等。

激光雷達是一種通過發(fā)射激光束探測目標的位置、速度等特征量的雷達系統(tǒng)。激光波段位于0.5μm-10μm，以光電探測器為接收器件。激光雷達英文名稱為LiDAR(Light Detection and Ranging)，也稱Laser Radar或LADAR (Laser Detection and Ranging)。

激光雷達因為激光波長短，準直性高，使得激光雷達性能優(yōu)異：角分辨率和距離分辨率高、抗干擾能力強、能獲得目標多種圖像信息(深度、反射率等)、體積小、質(zhì)量輕。

激光雷達是傳統(tǒng)雷達技術與現(xiàn)代激光技術相結合的產(chǎn)物。它的基本原理是：向被測目標發(fā)射探測信號（激光束），然后測量反射或散射信號的到達時間、強弱程度等參數(shù)，以確定目標的距離、方位、 運動狀態(tài)及表面光學特性。LiDAR的工作原理：飛行時間法（ToF），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備間的相對距離，這些輪廓信息組成所謂的點云并繪制出3D環(huán)境地圖，精度可達到厘米級別。下圖是直接飛行時間技術和間接飛行時間技術的簡單示意圖。

LiDAR能探測的對象：白天或黑夜下的特定物體與車之間的距離，甚至連車道線和路面也是可以區(qū)分開來的。眾所周知，毫米波雷達技術已經(jīng)在許多具有先進駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的量產(chǎn)車上裝配使用。但是為了進一步提高汽車的環(huán)境感測精度和運行可靠性，或者說在嚴苛的無人駕駛系統(tǒng)中，LiDAR將成為一種不可替代的傳感器。

激光雷達系統(tǒng)由四大基本單元構成：

? 發(fā)射單元：激光器、發(fā)射光學系統(tǒng);

? 接收單元：接受光學系統(tǒng)、光學濾光裝置、光電探測器;

? 控制單元：控制器、邏輯電路;

? 信號處理單元：信號處理、數(shù)字校準與輸出 ;

下圖總結了評價一個激光雷達的重要的技術指標。

激光雷達融合了激光、大氣光學、雷達、光機電一體化和信號處理等諸多領域技術。下圖總結了激光雷達需要突破的關鍵技術。

LiDAR的分類方式有很多種。前面我們已經(jīng)介紹了按激光雷達掃描線束數(shù)量的多少來分類，LiDAR可分為單線束LiDAR與多線束LiDAR。顧名思義，單線束LiDAR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)別有關目標物體的3D信息。多線束LiDAR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 LiDAR及3D LiDAR。2.5D LiDAR與3DLiDAR最大的區(qū)別在于LiDAR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。

今天我們按照激光雷達有無機械旋轉(zhuǎn)部件來分類，包括普通的機械式旋轉(zhuǎn)LiDAR、混合固態(tài)LiDAR、不旋轉(zhuǎn)全固態(tài)LiDAR。

可能大家對這種分類有點疑惑，難道LiDAR還跟水的三態(tài)一樣，分固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)不成？當然不是！如果您對硬盤的機械式、混合固態(tài)、固態(tài)早有耳聞，那么理解LiDAR的三種技術流派就沒那么費力了！LiDAR的固態(tài)主要跟激光發(fā)射裝置是否存在機械旋轉(zhuǎn)部件有關，固態(tài)LiDAR中是沒有機械旋轉(zhuǎn)部件的，取而代之的是電子部件來實現(xiàn)發(fā)射激光束的轉(zhuǎn)動。

機械LiDAR通過不斷旋轉(zhuǎn)發(fā)射頭，將速度更快、發(fā)射更準的激光束從“線”變成“面”，并在豎直方向上排布多束激光（即32或64線雷達），形成多個面，達到動態(tài)3D掃描的目的。但其有“大、重、貴”的缺點，確實讓人難以接受。對于量產(chǎn)的無人駕駛汽車來說，機械旋轉(zhuǎn)LiDAR是不可接受的，只有固態(tài)激光雷達，無論從成本， 尺寸，還是實車安裝方式， 都可以滿足量產(chǎn)化的要求。

下圖中最大個的是Velodyne公司第一代機械LiDAR：HDL-64E，也就是谷歌無人駕駛汽車上面安裝在車頂?shù)摹叭彝啊薄?/p>

在2016年1月的美國CES消費電子展上，Velodyne發(fā)布了其第一款汽車專用的3D LiDAR——混合固態(tài)超級冰球（Solid-StateHybrid Ultra Puck Auto），這款產(chǎn)品為32線束LiDAR，體積小巧、便于汽車安裝攜帶，同時價格低廉，性價比較高。

所謂混合固態(tài)LiDAR，是外形上不存在可見的旋轉(zhuǎn)部件，但是為了360全視角其內(nèi)部實際上仍然存在一些機械旋轉(zhuǎn)部件，只是這套機械旋轉(zhuǎn)部件做的非常小巧可以內(nèi)藏而已，如采用微機電(MEMS)技術制作的MEMS掃描鏡。為了將這樣的產(chǎn)品概念和傳統(tǒng)“固態(tài)”概念區(qū)分開來，因此引入了“混合固態(tài)”的稱呼。

全球領先的固態(tài)LiDAR傳感器和智能傳感解決方案提供商Quanergy Systems提供的S3是全球首款汽車級固態(tài)LiDAR系統(tǒng)。通過發(fā)射器、接收器和信號處理器三個主要組件的交互，S3每秒生成五十萬個數(shù)據(jù)點。激光器在水平120°內(nèi)發(fā)射平行光脈沖，光接收器探測反射光脈沖。信號處理器計算每個光脈沖的飛行時間。通過在各個方向掃描，S3在車輛周圍創(chuàng)建出實時3D視圖，以檢測、分類和跟蹤場景中的對象。

所謂固態(tài)，指無論是宏觀還是微觀尺度上都沒有可動部件或振動部件，保證了最高水平的性能、可靠性、壽命和成本效益。這也是未來的LiDAR技術趨勢！