一文详解智能汽车激光雷达技术

大家好，今天本人给大家带来文章《一文详解智能汽车激光雷达技术》，文中内容主要涉及到，如果你对科技周边方面的知识点感兴趣，那就请各位朋友继续看下去吧~希望能真正帮到你们，谢谢！

激光雷达在自动驾驶应用中主要用来探测道路上的障碍物信息，把数据和信号传递给自动驾驶的大脑，再做出相应的驾驶动作，但室外常见的干扰因素如雨、雾、雪、粉尘、高低温等对激光雷达的识别造成了极大的影响。在特殊环境中，如雨、雾、光、尘等，需要进行大量测试，才能将激光雷达投入实际应用。在自然环境条件下，所需要的测试场景可遇不可求且无法复现，无法满足激光雷达大量真实环境测试的需求。在此基础上，国家智能网联汽车（长沙）测试区即将打造完成雨、雾、光、尘等典型测试场景，也是目前国内唯一同时具备雨、雾、光、尘等场景的测试区，可满足激光雷达等传感器大批量可复现的真实环境测试需求。

图1 激光雷达受环境的影响

激光雷达(LiDAR)是当前正在改变世界的传感器，它广泛应用于自动驾驶汽车、无人机、自主机器人、火箭等。激光通过测定传感器发射器与目标物体之间的传播距离（Time of Flight,TOF）(如图2所示)，分析目标物体表面的反射能量大小、反射波谱的幅度、频率和相位等信息，输出点云，从而呈现出目标物精确的三维结构信息。

图2 激光雷达测距及点云

激光雷达是由激光发射单元和激光接收单元组成，发射单元的工作方式是向外发射激光束层，层数越多，精度也越高(如图3所示)，不过这也意味着传感器尺寸越大。发射单元将激光发射出去后，当激光遇到障碍物会反射，从而被接收器接收，接收器根据每束激光发射和返回的时间，创建一组点云，高质量的激光雷达，每秒最多可以发出200多束激光。

图3 不同激光束形成的激光点云

对于激光的波长，目前主要使用使用波长为905nm和1550nm的激光发射器，波长为1550nm的光线不容易在人眼液体中传输。故1550nm可在保证安全的前提下大大提高发射功率。大功率能得到更远的探测距离，长波长也能提高抗干扰能力。但是1550nm激光需使用InGaAs，目前量产困难。故当前更多使用Si材质量产905nm的LiDAR。通过限制功率和脉冲时间来保证安全性。

01 激光雷达的结构

激光雷达的关键部件按照信号处理的信号链包括控制硬件DSP（数字信号处理器）、激光驱动、激光发射发光二极管、发射光学镜头、接收光学镜头、APD（雪崩光学二极管）、TIA（可变跨导放大器）和探测器，如图4所示。其中除了发射和接收光学镜头外，都是电子部件。随着半导体技术的快速演进，性能逐步提升的同时成本迅速降低。但是光学组件和旋转机械则占具了激光雷达的大部分成本。

图4 激光雷达的关键部件

02 激光雷达的种类

目前市面上有多种类型的激光雷达，根据其驱动方式可分为机械式、MEMS、相控阵、泛光面阵列（FLASH）。

机械式

以Velodyne 2007年推出的64线雷达为例。它把64个激光器垂直堆叠在一起，以20rpm速度旋转。这句话可以重写为：利用旋转将激光点转换成线，再通过64线叠加将线转换成面，从而获取点云数据并获得3D环境信息。

实现点云测量需要精确定位安装，而这需要复杂的机械结构来实现。由于环境和老化因素的影响，平均失效时间仅为1000至3000小时，很难达到车厂所要求的最低13000小时。由于LiDAR安装在车顶，民用领域需要考虑外部维护问题，例如洗车可能对其产生的影响。因此机械式结构极大的限制了成本和应用推广。

MEMS

MEMS激光雷达利用微电子机械系统的技术驱动旋镜，反射激光束指向不同方向。

固态激光雷达的优点包括了：数据采集速度快，分辨率高，对于温度和振动的适应性强；通过波束控制，探测点（点云）可以任意分布，例如在高速公路主要扫描前方远处，对于侧面稀疏扫描但并不完全忽略，在十字路口加强侧面扫描。而只能匀速旋转的机械式激光雷达是无法执行这种精细操作的。

典型应用有法雷奥SCALA激光雷达。目前应用在奥迪A8(第一款L3级的自动驾驶车辆)。采用MEMS技术，该装置安装于前保险杠位置，可实现145°的扫描角度和80m的探测距离。

图5 奥迪A8的激光雷达

相控阵（OPA）

原理：主要利用光的干涉原理。如下图所示，改变不同缝中入射光线的相位差可以调整光栅衍射后中央明纹（主瓣）的位置。

相控阵（OPA）的优缺点

优点：

①结构简单、尺寸小：由于不需要旋转部件，可以大大压缩雷达的结构和尺寸，提高使用寿命，并降低成本。

②标定简单：机械式激光雷达由于光学结构固定，适配不同车辆往往需要精密调节其位置和角度，固态激光雷达可以通过软件进行调节，大大降低了标定的难度。

③扫描速度快：不用受制于机械旋转的速度和精度，光学相控阵的扫描速度取决于所用材料的电子学特性，一般都可以达到MHz量级。

④扫描精度高：光学相控阵的扫描精度取决于控制电信号的精度，可以达到千分之一度量级以上。

⑤可控性好：光学相控阵的光束指向完全由电信号控制，在允许的角度范围内可以做到任意指向，可以在重点区域进行高密度的扫描。

⑥多目标监控：一个相控阵面可以分割为多个小模块，每个模块分开控制即可同时锁定监控多个目标。

缺点：

①扫描角度有限：调节相位最多只能让中央明纹改变约±60°，实际做到360°采集的话一般需要6个。

②旁瓣问题：光栅衍射除了中央明纹外还会形成其他明纹，这一问题会让激光在最大功率方向以外形成旁瓣，分散激光的能量。

③加工难度高：光学相控阵要求阵列单元尺寸必须不大于半个波长，一般目前激光雷达的工作波长均在1微米左右，故阵列单元的尺寸必须不大于500nm。需要在技术上有所突破，因为随着阵列密度的增加，能量集中度也随之提高，进而要求加工精度更高。

④接收面大、信噪比差：传统机械雷达只需要很小的接收窗口，但固态激光雷达却需要一整个接收面，因此会引入较多的环境光噪声，增加了扫描解析的难度。

泛光面阵式（FLASH）

泛光面阵式的原理类似TOF相机，也就是快闪，它不像MEMS或OPA的方案会去进行扫描，而是短时间直接发射出一大片覆盖探测区域的激光，再以高度灵敏的接收器，来完成对环境周围图像的绘制。它运行起来更像摄像头。由于激光束可以在各个方向上弥散，因此只需进行一次快速闪光便可照亮整个场景。随后，系统会利用微型传感器阵列采集不同方向反射回来的激光束。

图7 泛光式激光雷达

Flash LiDAR 的一大优势是它能快速记录整个场景，避免了扫描过程中目标或激光雷达移动带来的各种麻烦。当前的发展方向有2个，一种是盖格模式APD的单光子计数型直接对光子计数生成数字图像；一种是传统的CMOS光强模拟采集得到强度图，将强度图转化为距离信息。

03 激光雷达的数据传输

LiDAR由于数据量较大，当前的控制架构中，基本采用将每个光点的原始数据发回到中央控制器处理，所以通常会采用FlexRay或以太网此类高带宽的网络进行通讯。如法雷奥的SCALA在1代采用Flexray，2代则开始使用以太网。

LiDAR 通常从硬件层面支持授时，通常会提供支持三种时间同步接口。

1) IEEE 15882008同步，遵循精确时间协议，通过以太网对测量以及系统控制实现精确的时钟同步。

2) 脉冲同步（PPS），脉冲同步通过同步信号线实现数据同步。

3) GPS同步（PPS+UTC），通过同步信号线和UTC时间（GPS时间）实现数据同步。

以目前最普遍的旋转式激光雷达的数据为例，其数据为10hz，即LiDAR在0.1s时间内转一圈，并将硬件得到的数据按照不同角度切成不同的packet，而每一个packet包含了当前扇区所有点的数据，包含每个点的时间戳，每个点的xyz数据，每个点的发射强度，每个点来自的激光发射机的id等信息。而如最新的Livox Horizon激光雷达，也包含了多回波信息及噪点信息。

好了，本文到此结束，带大家了解了《一文详解智能汽车激光雷达技术》，希望本文对你有所帮助！关注golang学习网公众号，给大家分享更多科技周边知识！