走進(jìn)自動駕駛傳感器-激光雷達(dá)

激光雷達(dá)，也稱光學(xué)雷達(dá)（LIght Detection And Ranging）是激光探測與測距系統(tǒng)的簡稱，它通過測定傳感器發(fā)射器與目標(biāo)物體之間的傳播距離，分析目標(biāo)物體表面的反射能量大小、反射波譜的幅度、頻率和相位等信息，從而呈現(xiàn)出目標(biāo)物精確的三維結(jié)構(gòu)信息。

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自上世紀(jì)60年代激光被發(fā)明不久，激光雷達(dá)就大規(guī)模發(fā)展起來。目前激光雷達(dá)廠商主要使用波長為905nm和1550nm的激光發(fā)射器，波長為1550納米的光線不容易在人眼液體中傳輸，這意味著采用波長為1550納米激光的激光雷達(dá)的功率可以相當(dāng)高，而不會造成視網(wǎng)膜損傷。更高的功率，意味著更遠(yuǎn)的探測距離，更長的波長，意味著更容易穿透粉塵霧霾。但受制于成本原因，生產(chǎn)波長為1550納米的激光雷達(dá)，要求使用昂貴的砷化鎵材料。廠商更多選擇使用硅材料制造接近于可見光波長的905nm的激光雷達(dá)，并嚴(yán)格限制發(fā)射器的功率，避免造成眼睛的永久性損傷。

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而測距原理上目前主要以飛行時間（time of flight）法為主，利用發(fā)射器發(fā)射的脈沖信號和接收器接受到的反射脈沖信號的時間間隔來計算和目標(biāo)物體的距離。

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也有使用相干法，即為調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達(dá)發(fā)射一束連續(xù)的光束，頻率隨時間穩(wěn)定地發(fā)生變化。由于源光束的頻率在不斷變化，光束傳輸距離的差異會導(dǎo)致頻率的差異，將回波信號與本振信號混頻并經(jīng)低通濾波后，得到的差頻信號是光束往返時間的函數(shù)。調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)不會受到其他激光雷達(dá)或太陽光的干擾且無測距盲區(qū)；還可以利用多普勒頻移測量物體的速度和距離。調(diào)頻延續(xù)波LiDAR概念并不新穎，但是面對的技術(shù)挑戰(zhàn)不少，例如發(fā)射激光的線寬限制、線性調(diào)頻脈沖的頻率范圍、線性脈沖頻率變化的線性度，以及單個線性調(diào)頻脈沖的可復(fù)制性等。

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調(diào)幅連續(xù)波（AMCW）激光雷達(dá)與基本的飛行時間系統(tǒng)相似的是，調(diào)幅連續(xù)波激光雷達(dá)發(fā)射一個信號，測量激光反射回來的時間。但區(qū)別在于，時間飛行系統(tǒng)只發(fā)射一個脈沖，調(diào)幅連續(xù)波LiDAR通過改變激光二極管中的極電流來調(diào)整發(fā)射光強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制。

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激光雷達(dá)應(yīng)用于測繪主要有測距、定位以及地表物體的三維繪制；其達(dá)作為一種重要的傳感器，目前正在自動駕駛領(lǐng)域和無人飛行器領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

LiDAR的結(jié)構(gòu)

激光雷達(dá)主要包括激光發(fā)射、接收、掃描器、透鏡天線和信號處理電路組成。激光發(fā)射部分主要有兩種，一種是激光二極管，通常有硅和砷化鎵兩種基底材料，再有一種就是目前非?；馃岬拇怪鼻幻姘l(fā)射（VCSEL），VCSEL的優(yōu)點(diǎn)是價格低廉，體積極小，功耗極低，缺點(diǎn)是有效距離比較短，需要多級放大才能達(dá)到車用的有效距離。

激光雷達(dá)主要應(yīng)用了激光測距的原理，而如何制造合適的結(jié)構(gòu)使得傳感器能向多個方向發(fā)射激光束，如何測量激光往返的時間，這便區(qū)分出了不同的激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)。

機(jī)械式

以Velodyne 2007年推出了一款激光雷達(dá)為例，它把64個激光器垂直堆疊在一起，使整個單元每秒旋轉(zhuǎn)許多次。發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)存在物理意義上的轉(zhuǎn)動，也就是通過不斷旋轉(zhuǎn)發(fā)射器，將激光點(diǎn)變成線，并在豎直方向上排布多束激光發(fā)射器形成面，達(dá)到3D掃描并接收信息的目的。但由于通過復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高頻準(zhǔn)確的的轉(zhuǎn)動，平均的失效時間僅1000-3000小時，難以達(dá)到車廠最低13000小時的要求。

Velodyne 64線激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)示意圖

固態(tài)式(MEMS)

利用微電子機(jī)械系統(tǒng)的技術(shù)驅(qū)動旋鏡，反射激光束指向不同方向。固態(tài)激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)包括了：數(shù)據(jù)采集速度快，分辨率高，對于溫度和振動的適應(yīng)性強(qiáng)；通過波束控制，探測點(diǎn)（點(diǎn)云）可以任意分布，例如在高速公路主要掃描前方遠(yuǎn)處，對于側(cè)面稀疏掃描但并不完全忽略，在十字路口加強(qiáng)側(cè)面掃描。而只能勻速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械式激光雷達(dá)是無法執(zhí)行這種精細(xì)操作的。

光學(xué)相控陣式(OPA)

相控陣發(fā)射器由若干發(fā)射接收單元組成陣列，通過改變加載在不同單元的電壓，進(jìn)而改變不同單元發(fā)射光波特性，實(shí)現(xiàn)對每個單元光波的獨(dú)立控制，通過調(diào)節(jié)從每個相控單元輻射出的光波之間的相位關(guān)系，在設(shè)定方向上產(chǎn)生互相加強(qiáng)的干涉從而實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度光束，而其他方向上從各個單元射出的光波彼此相消。組成相控陣的各相控單元在程序的控制下可使一束或多束高強(qiáng)度光束按設(shè)計指向?qū)崿F(xiàn)空域掃描。

相控陣激光雷達(dá)原理示意圖

但光學(xué)相控陣的制造工藝難度較大，這是由于要求陣列單元尺寸必需不大于半個波長，普通目前激光雷達(dá)的任務(wù)波長均在1微米左右，這就意味著陣列單元的尺寸必需不大于500納米。而且陣列數(shù)越多，陣列單元的尺寸越小，能量越往主瓣集中，這就對加工精度要求更高。此外，材料選擇也是十分關(guān)鍵的要素。

泛光面陣式（FLASH）

泛光面陣式是目前全固態(tài)激光雷達(dá)中最主流的技術(shù)，其原理也就是快閃，它不像MEMS或OPA的方案會去進(jìn)行掃描，而是短時間直接發(fā)射出一大片覆蓋探測區(qū)域的激光，再以高度靈敏的接收器，來完成對環(huán)境周圍圖像的繪制。

硬件參數(shù)

我們以目前最為成熟的車載MEMS式激光雷達(dá)為例，講解其關(guān)鍵的硬件參數(shù)。

視場角與分辨率

激光雷達(dá)視場角分為水平視場角和垂直視場角，水平視場角即為在水平方向上可以觀測的角度范圍，旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)旋轉(zhuǎn)一周為360°，所以水平視場角為360°。垂直視場角為在垂直方向上可以觀測的角度，一般為40°。而它并不是對稱均勻分布的，因為我們主要是需要掃描路面上的障礙物，而不是把激光打向天空，為了良好的利用激光，因此激光光束會盡量向下偏置一定的角度。并且為了達(dá)到既檢測到障礙物，同時把激光束集中到中間感興趣的部分，來更好的檢測車輛，激光雷達(dá)的光束不是垂直均勻分布的，而是中間密，兩邊疏。下圖是禾賽64線激光雷達(dá)的光束示意圖，可以看到激光雷達(dá)的有一定的偏置，向上的角度為15°，向下的為25°，并且激光光束中間密集，兩邊稀疏。

禾賽64線激光雷達(dá)光束分布

回波模式

由于激光接收器是接收發(fā)射器發(fā)射的激光，可能存在一個發(fā)射器穿過多個物體，對應(yīng)的一個接收器接收到多個回波的情況。而回波模式即是調(diào)整輸出的數(shù)據(jù)包內(nèi)包含的內(nèi)容，在單回波模式下，每一個數(shù)據(jù)塊包括64個激光通道的測距數(shù)據(jù)，可選擇為最強(qiáng)回波還是最后回波。在雙回波模式下，每兩個數(shù)據(jù)塊對應(yīng)64個激光在同一輪發(fā)光測距的不同回波數(shù)據(jù)，比如同時包含最強(qiáng)回波和最晚回波。

點(diǎn)頻

即周期采集點(diǎn)數(shù)，因為激光雷達(dá)在旋轉(zhuǎn)掃描，因此水平方向上掃描的點(diǎn)數(shù)和激光雷達(dá)的掃描頻率有一定的關(guān)系，掃描越快則點(diǎn)數(shù)會相對較少，掃描慢則點(diǎn)數(shù)相對較多。一般這個參數(shù)也被稱為水平分辨率，比如激光雷達(dá)的水平分辨率為0.2°，那么掃描的點(diǎn)數(shù)為360°/0.2°=1800，也就是說水平方向會掃描1800次。

那么激光雷達(dá)旋轉(zhuǎn)一周，即一個掃描周期內(nèi)掃描的點(diǎn)數(shù)為1800*64=115200。比如禾賽64線激光雷達(dá)，掃描頻率為10Hz的時候水平角分辨率為0.2°，在掃描頻率為20Hz的時候角分辨率為0.4°（掃描快了，分辨率變低了）。輸出的點(diǎn)數(shù)和計算的也相符合115200 pts/s。

有效檢測距離

激光雷達(dá)是一個收發(fā)異軸的光學(xué)系統(tǒng)（其實(shí)所有的機(jī)械雷達(dá)都是），也就是說，發(fā)射出去的激光光路，和返回的激光光路，并不重合。這主要是因為激光發(fā)射器和接收器不能做在一起導(dǎo)致的，此方案本身便存在小量的誤差?，F(xiàn)在很多方案，都是向著共軸努力。

激光雷達(dá)的測距精度，隨著距離的變化而變化。有幾個原因：

我們這里說的激光雷達(dá)，是指 TOF 激光雷達(dá)，TOF 測距，靠的是 TDC 電路提供計時，用光速乘以單向時間得到距離，但限于成本，TDC 一般由 FPGA 的進(jìn)位鏈實(shí)現(xiàn)，本質(zhì)上是對一個低頻的晶振信號做差值，實(shí)現(xiàn)高頻的計數(shù)。所以，測距的精度，強(qiáng)烈依賴于這個晶振的精度。而晶振隨著時間的推移，存在累計誤差；

距離越遠(yuǎn)，接收信號越弱，雷達(dá)自身的尋峰算法越難以定位到最佳接收時刻，這也造成了精度的劣化；

而由于激光雷達(dá)檢測障礙物的有效距離和最小垂直分辨率有關(guān)系，也就是說角度分辨率越小，則檢測的效果越好。如果兩個激光光束之間的角度為0.4°，那么當(dāng)探測距離為200m的時候，兩個激光光束之間的距離為200m*tan0.4°≈1.4m。也就是說在200m之后，只能檢測到高于1.4m的障礙物了。如果需要知道障礙物的類型，那么需要采用的點(diǎn)數(shù)就需要更多，距離越遠(yuǎn)，激光雷達(dá)采樣的點(diǎn)數(shù)就越少，可以很直接的知道，距離越遠(yuǎn)，點(diǎn)數(shù)越少，就越難以識別準(zhǔn)確的障礙物類型。