淺析車載激光雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)及分類

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

激光雷達(dá)（LiDAR）最早的應(yīng)用是機(jī)載測(cè)繪。其最早走入公眾視野，則是在1971年阿波羅執(zhí)行15號(hào)任務(wù)期間宇航員采用一種LiDAR設(shè)備——激光高度計(jì)來(lái)繪制月球表面圖。由此，LiDAR的精準(zhǔn)度和用處得到了證明。九十年代，以激光雷達(dá)三位掃描儀為代表的激光雷達(dá)真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，從此進(jìn)入一個(gè)高速發(fā)展期。

50多年過(guò)去，LiDAR技術(shù)從最簡(jiǎn)單的激光測(cè)距技術(shù)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(shù)，同時(shí)，LiDAR應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸拓展。到了2005年，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署（DARPA）舉辦了一場(chǎng)無(wú)人駕駛挑戰(zhàn)賽，激光雷達(dá)首次亮相與無(wú)人駕駛技術(shù)。很多人從這次比賽中開始認(rèn)識(shí)激光雷達(dá)。LiDAR作為無(wú)人駕駛的核心部件，隨著無(wú)人駕駛技術(shù)的發(fā)展和無(wú)人駕駛汽車的正式上路，汽車行業(yè)將成為L(zhǎng)iDAR市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要貢獻(xiàn)者。

雷達(dá)（RADAR - Radio detection and ranging）是無(wú)線電探測(cè)和測(cè)距， 即發(fā)射電磁波對(duì)目標(biāo)進(jìn)行照射并接收其回波，由此獲得目標(biāo)的距離、速度、方位、高度等信息。傳統(tǒng)的雷達(dá)是以微波作為載波的雷達(dá)，大約出現(xiàn)在1935年；按雷達(dá)頻段分，可分為超視距雷達(dá)、微波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)以及激光雷達(dá)等。

激光雷達(dá)是一種通過(guò)發(fā)射激光束探測(cè)目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)。激光波段位于0.5μm-10μm，以光電探測(cè)器為接收器件。激光雷達(dá)英文名稱為L(zhǎng)iDAR(Light Detection and Ranging)，也稱Laser Radar或LADAR (Laser Detection and Ranging)。

激光雷達(dá)因?yàn)榧す獠ㄩL(zhǎng)短，準(zhǔn)直性高，使得激光雷達(dá)性能優(yōu)異：角分辨率和距離分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、能獲得目標(biāo)多種圖像信息(深度、反射率等)、體積小、質(zhì)量輕。

激光雷達(dá)是傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)與現(xiàn)代激光技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它的基本原理是：向被測(cè)目標(biāo)發(fā)射探測(cè)信號(hào)（激光束），然后測(cè)量反射或散射信號(hào)的到達(dá)時(shí)間、強(qiáng)弱程度等參數(shù)，以確定目標(biāo)的距離、方位、 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及表面光學(xué)特性。LiDAR的工作原理：飛行時(shí)間法（ToF），就是根據(jù)激光遇到障礙物后的折返時(shí)間，計(jì)算目標(biāo)與自己的相對(duì)距離。激光光束可以準(zhǔn)確測(cè)量視場(chǎng)中物體輪廓邊沿與設(shè)備間的相對(duì)距離，這些輪廓信息組成所謂的點(diǎn)云并繪制出3D環(huán)境地圖，精度可達(dá)到厘米級(jí)別。下圖是直接飛行時(shí)間技術(shù)和間接飛行時(shí)間技術(shù)的簡(jiǎn)單示意圖。

LiDAR能探測(cè)的對(duì)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(lái)的。眾所周知，毫米波雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)在許多具有先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的量產(chǎn)車上裝配使用。但是為了進(jìn)一步提高汽車的環(huán)境感測(cè)精度和運(yùn)行可靠性，或者說(shuō)在嚴(yán)苛的無(wú)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(dá)系統(tǒng)由四大基本單元構(gòu)成：

? 發(fā)射單元：激光器、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng);

? 接收單元：接受光學(xué)系統(tǒng)、光學(xué)濾光裝置、光電探測(cè)器;

? 控制單元：控制器、邏輯電路;

? 信號(hào)處理單元：信號(hào)處理、數(shù)字校準(zhǔn)與輸出 ;

下圖總結(jié)了評(píng)價(jià)一個(gè)激光雷達(dá)的重要的技術(shù)指標(biāo)。

激光雷達(dá)融合了激光、大氣光學(xué)、雷達(dá)、光機(jī)電一體化和信號(hào)處理等諸多領(lǐng)域技術(shù)。下圖總結(jié)了激光雷達(dá)需要突破的關(guān)鍵技術(shù)。

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(dá)掃描線束數(shù)量的多少來(lái)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(wú)法區(qū)別有關(guān)目標(biāo)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(chǎng)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(xì)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(guò)10°，而后者可達(dá)到30°甚至40°以上。

今天我們按照激光雷達(dá)有無(wú)機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件來(lái)分類，包括普通的機(jī)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(duì)這種分類有點(diǎn)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(dāng)然不是！如果您對(duì)硬盤的機(jī)械式、混合固態(tài)、固態(tài)早有耳聞，那么理解LiDAR的三種技術(shù)流派就沒那么費(fèi)力了！LiDAR的固態(tài)主要跟激光發(fā)射裝置是否存在機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件有關(guān)，固態(tài)LiDAR中是沒有機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件的，取而代之的是電子部件來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)射激光束的轉(zhuǎn)動(dòng)。

機(jī)械LiDAR通過(guò)不斷旋轉(zhuǎn)發(fā)射頭，將速度更快、發(fā)射更準(zhǔn)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(dá)），形成多個(gè)面，達(dá)到動(dòng)態(tài)3D掃描的目的。但其有“大、重、貴”的缺點(diǎn)，確實(shí)讓人難以接受。對(duì)于量產(chǎn)的無(wú)人駕駛汽車來(lái)說(shuō)，機(jī)械旋轉(zhuǎn)LiDAR是不可接受的，只有固態(tài)激光雷達(dá)，無(wú)論從成本， 尺寸，還是實(shí)車安裝方式， 都可以滿足量產(chǎn)化的要求。

下圖中最大個(gè)的是Velodyne公司第一代機(jī)械LiDAR：HDL-64E，也就是谷歌無(wú)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(guó)CES消費(fèi)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(jí)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(shí)價(jià)格低廉，性價(jià)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(shí)際上仍然存在一些機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件，只是這套機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件做的非常小巧可以內(nèi)藏而已，如采用微機(jī)電(MEMS)技術(shù)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(lái)，因此引入了“混合固態(tài)”的稱呼。

全球領(lǐng)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(jí)固態(tài)LiDAR系統(tǒng)。通過(guò)發(fā)射器、接收器和信號(hào)處理器三個(gè)主要組件的交互，S3每秒生成五十萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。激光器在水平120°內(nèi)發(fā)射平行光脈沖，光接收器探測(cè)反射光脈沖。信號(hào)處理器計(jì)算每個(gè)光脈沖的飛行時(shí)間。通過(guò)在各個(gè)方向掃描，S3在車輛周圍創(chuàng)建出實(shí)時(shí)3D視圖，以檢測(cè)、分類和跟蹤場(chǎng)景中的對(duì)象。

所謂固態(tài)，指無(wú)論是宏觀還是微觀尺度上都沒有可動(dòng)部件或振動(dòng)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(lái)的LiDAR技術(shù)趨勢(shì)！