智能汽車激光雷達(dá)感知技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展分析

羅 騫，金琦珺

（武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢430070）

首先對激光雷達(dá)的定義、作用、構(gòu)成進(jìn)行了介紹，并對其工作原理進(jìn)行了簡單分析，找出了優(yōu)缺點(diǎn)；闡述了激光雷達(dá)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，最后分析了其發(fā)展趨勢。

1 概述

激光雷達(dá)的運(yùn)作方式是通過發(fā)射出激光來對物品進(jìn)行一個全方位的描述，構(gòu)成一個整體情況的分析報告，性質(zhì)上相當(dāng)于雷達(dá)，具體的運(yùn)行方式如圖1所示。

圖1激光雷達(dá)的運(yùn)行方式

向需要檢測的物品發(fā)射激光束，然后通過對接收到從物品反射回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，進(jìn)行適當(dāng)處理后，就可以得到一定的物品相關(guān)信息，比如距離、速度、高度、形狀等參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對一些目標(biāo)飛行器的觀察。

激光雷達(dá)LIDAR是激光探測及測距系統(tǒng)的簡稱，另外也 稱 為Laser Radar或LADAR（Laser Detection and Ranging）。

將激光發(fā)射器作為發(fā)射激光的光源，然后運(yùn)用光電的探測設(shè)備作為主動的遙感設(shè)備。激光雷達(dá)是一種不同于以往的高科技的探測設(shè)備，它將激光與光電探測融為一體，共同使用，可以發(fā)射并接收處理信息。發(fā)射系統(tǒng)也有多種不同的類別，比如人們可以理解的二氧化碳激光器、更為先進(jìn)的可調(diào)節(jié)的固體激光器等。而接收系統(tǒng)就比較常規(guī)一些，例如可以運(yùn)用擁有望遠(yuǎn)鏡功能和光電探測技術(shù)功能的設(shè)備進(jìn)行觀測，人們常見的和可以理解的有半導(dǎo)體光電二極管和紅外射線等。激光雷達(dá)通常使用的是脈沖和連續(xù)波兩種方式，探測的具體方法可以根據(jù)用途的不同而采用不同的方式，例如有瑞麗散射、拉曼散射、熒光等激光雷達(dá)。

2 工作原理及特點(diǎn)

2.1 原理

LIDAR是將激光和諸多導(dǎo)航定位系統(tǒng)進(jìn)行概括的一個系統(tǒng)，可以獲得相對精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，最后形成精確的DEM。將三種技術(shù)相結(jié)合，可以精確掌握物品存在的形態(tài)。目前，人們熟知的數(shù)據(jù)模型包括地面數(shù)字模型和水文模型，兩者的共同特點(diǎn)是都可以通過激光進(jìn)行探測，因此，它的英文名稱為Light Detection And Ranging（LIDAR）。

激光對于距離的測量和定位具有非常優(yōu)良的能力，往往可以將范圍縮小到幾厘米之內(nèi)。對于LIDAR系統(tǒng)的精確度分析，除了要考慮激光的因素外，還要對GPS和IMU測量單元進(jìn)行考慮。隨著兩者的不斷高速發(fā)展，讓LIDAR系統(tǒng)的運(yùn)用范圍更加精確了，擁有了更多的應(yīng)用平臺。

LIDAR系統(tǒng)自身攜帶著一個窄帶激光和一個接收系統(tǒng)。它的工作方法就是將光脈沖發(fā)出，探測到物品之后反射回來，接收器接收處理，得出信息數(shù)據(jù)。因?yàn)楣饷}沖的傳播速度為光速，所以在整體的結(jié)構(gòu)中，接收器可以不間斷地接收到物體的信息，從而形成一整個工作流程；又因光速的可測算性，所以經(jīng)過一定的計算就可以得到物品的距離。同時。通過激光器的測算高度、掃描角度以及GPS定位，可以相對準(zhǔn)確地得到一個物品所在方位的X、Y、Z坐標(biāo)。同時，激光束的發(fā)射頻率非常高，在1 s內(nèi)可以發(fā)射幾個到幾萬個脈沖信號，因此，接收器在一定時間內(nèi)就可以接收大量的數(shù)據(jù)信息。一般而言，LIDAR系統(tǒng)的地面光斑間距為2～4 m。脈沖測距法如圖2所示，干涉測距法如圖3所示，相位測距法如圖4所示，三角測距法如圖5所示。

圖2脈沖測距法

圖3干涉測距法

圖4相位測距法

圖5三角測距法

2.2 激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)

與普通的微波雷達(dá)進(jìn)行比較，激光雷達(dá)因?yàn)檫\(yùn)用的是激光束，所以它的工作效率要高很多，也有很多特點(diǎn)，主要如下。

2.2.1 分辨率高

激光雷達(dá)對于物品的角度、距離和速度等各種因素都非常的敏感，對其有較高的精密度。因此，分辨率也會隨之提升。通常范圍內(nèi)在4 km的距離可以同時對多個目標(biāo)進(jìn)行跟蹤分析，并經(jīng)過計算得出結(jié)果。分辨率的速率也大大提升，靈敏度得到了很大的提高。同時，可以獲得很高的清晰度，大大提高了人們對圖像和各項(xiàng)數(shù)據(jù)的分析能力。

2.2.2 隱蔽性好、抗有源干擾能力強(qiáng)

激光傳播的原理是直線傳播，方向感非常好，光束的距離也很窄，因此，只有在特定的傳播接收路徑上才可以接收到，在此情況下，被敵方識破的可能性就大大降低了，并且激光雷達(dá)的整體發(fā)射口徑和接收區(qū)域都非常的窄，所以干擾信號被接收到的概率很低。另外，自然界中對激光雷達(dá)存在干擾的影響元素很少，所以，激光雷達(dá)擁有很強(qiáng)的抗干擾能力，可以適用于多種復(fù)雜的環(huán)境。

2.2.3 低空探測性能好

激光雷達(dá)的工作原理為只要照射到物體，物體就會發(fā)生反射，不會受到期間一些其他因素的影響，可以在任何高度進(jìn)行工作，擁有強(qiáng)大的低空探測能力。

2.2.4 體積小、質(zhì)量輕

與微波雷達(dá)動輒數(shù)噸重的重量比，激光雷達(dá)整體身形要小巧很多，發(fā)射設(shè)備的直徑一般只有幾厘米，整套系統(tǒng)也只有幾十斤，且拆裝方便，能在任何需要的地點(diǎn)進(jìn)行架設(shè)，操縱起來更加容易一些，且價格很低，可以被大多數(shù)人所接受。

2.3 激光雷達(dá)的缺點(diǎn)

激光雷達(dá)也存在一定的缺陷，首先就是受天氣的影響比較大，在正常晴朗的天氣里，激光的傳播范圍非常遠(yuǎn)，不受任何影響，而當(dāng)遇到一些比較惡劣的天氣時，它的傳播距離就會大打折扣，受到極大的影響。比如工作波長為10.6μm的co2激光，是現(xiàn)有市面上在大氣中傳播性能最好的一種，但在惡劣天氣中它的運(yùn)行效能會比良好天氣低6倍；激光雷達(dá)的波束過于狹窄，所以在搜索目標(biāo)時就很困難，對于目標(biāo)的檢測效果和截獲概率大大降低，搜索的范圍變得非常小，所以，激光雷達(dá)的使用就只適用于一些特定的小目標(biāo)。

3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 國外激光雷達(dá)研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代，美國研制出了世界上第一臺紅寶石激光器，主要用于環(huán)境感知技術(shù)研究，因此，國際上就開始了爭相發(fā)展。1961年，美國檢驗(yàn)并通過了第一臺激光測距儀，并運(yùn)用于軍事，進(jìn)入了實(shí)際使用階段；1971年，美國軍方使用了AN/GVS3激光測距儀進(jìn)行軍事觀察用途。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，激光掃描已經(jīng)不能滿足點(diǎn)對點(diǎn)的掃描接收要求，進(jìn)而發(fā)展到了二維平面。20世紀(jì)90年代，可以對地形的圖像進(jìn)行成像的激光雷達(dá)得到了運(yùn)用，如1995年美國TopScan公司開發(fā)的機(jī)載地形測量激光雷達(dá)，2003年德國Leica公司研制的ALS50系列地理勘測激光雷達(dá)。

近年來，隨著整體科技的發(fā)展和人類生活的需要，激光掃描已經(jīng)逐漸過度到了三維掃描的狀態(tài)，并獲得了高速發(fā)展，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，比如法國的TopoSys公司、德國的Sick公司等。其中，美國Velodyne公司的產(chǎn)品性能和精度處于國際領(lǐng)先地位，幾乎成為自動駕駛行業(yè)激光雷達(dá)選型的黃金標(biāo)準(zhǔn)，其16線、32線、64線產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用在自動駕駛車輛上。無論是國際高校之間流行的自動駕駛研究競賽，還是高科技公司進(jìn)行的自動駕駛研究，他們都運(yùn)用到了美國這家公司的激光產(chǎn)品。

3.2 國內(nèi)激光雷達(dá)的發(fā)展現(xiàn)狀

與國際水平相比較，中國的整體發(fā)展要晚一些，在20世紀(jì)80年代，航天工作者研制出激光測距機(jī)實(shí)現(xiàn)200 m內(nèi)0.5 m誤差的遠(yuǎn)程測距；另一方面，受軍用激光協(xié)會的大力支持，國內(nèi)研制出紅寶石激光人造衛(wèi)星測距機(jī)、用于復(fù)雜地形測繪的飛機(jī)機(jī)載激光航測儀。在2007年以前國內(nèi)高校及研究院所在激光技術(shù)層面有較多積累，但是在激光產(chǎn)品商業(yè)化產(chǎn)品化上基本沒有，主要激光應(yīng)用場景基本依賴國外進(jìn)口產(chǎn)品。2007年以后，國內(nèi)激光雷達(dá)產(chǎn)品才開始逐漸被應(yīng)用到軍事、民用以及工業(yè)領(lǐng)域。

隨著國內(nèi)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展以及對無人駕駛技術(shù)的不斷追求，適應(yīng)市場需要，國內(nèi)也出現(xiàn)了幾家激光雷達(dá)制造公司，例如北科天繪和雷神科技等，他們的產(chǎn)品也都得到了市場的認(rèn)可，并逐步使用到無人駕駛汽車中來。但國內(nèi)產(chǎn)品整體與國際相比，它的精度和穩(wěn)定性差一些，因此為了適應(yīng)國際需要，公司需要大力投入以緊跟國際步伐。國內(nèi)外激光雷達(dá)生產(chǎn)廠家如表1所示。

表1國內(nèi)外激光雷達(dá)生產(chǎn)廠家

4 激光雷達(dá)發(fā)展趨勢

響應(yīng)速度、驅(qū)動電壓、旁瓣壓縮等一些最基礎(chǔ)的科學(xué)技術(shù)對于激光雷達(dá)的影響比較大，分別影響著激光雷達(dá)系統(tǒng)的掃描速度和功率等，材料性能的提升也會促進(jìn)整體的性能提升。同時，對于驅(qū)動電壓的縮小對降低系統(tǒng)的整體能耗具有重要的作用。

OPA的旁瓣壓縮技術(shù)是通過對整體系統(tǒng)的掃描視角的不斷提升，來獲得更大范圍的掃描，分辨率的不斷提高也可以讓系統(tǒng)獲得更高的清晰度。因?yàn)?，機(jī)械式的激光掃描設(shè)備安裝過于困難，并且系統(tǒng)較為龐大，所以，目前的市場價格還是很高。為了盡量彌補(bǔ)缺陷，降低價格，研發(fā)人員通過夜以繼日的研究終于解決了該問題。

MEMS器件是一種從機(jī)械向固態(tài)轉(zhuǎn)變的過渡型方案，它的特點(diǎn)就是小型和速度快，并且MEMS擁有可以忍受較大熱壓的結(jié)構(gòu)，所以可以承受更多的激光能量，同時，它的整體單元尺寸過于龐大，所以它受環(huán)境影響的概率又提高了，振動等因素的不斷發(fā)展變化又讓它不斷提升。隨著激光雷達(dá)的不斷發(fā)展，整體數(shù)據(jù)性能的提升，它的圖像質(zhì)量也會提高，讓整體的設(shè)備發(fā)展中存在著各種發(fā)展的可能性，提升了人的使用過程，讓人對環(huán)境的分析程度得到了加深。

相比于其他產(chǎn)品，液晶光學(xué)相控陣器件在整體空間架構(gòu)方面的商業(yè)化運(yùn)用更為廣泛，它具有全固態(tài)、價格便宜、可以產(chǎn)業(yè)化制作的特點(diǎn)；缺點(diǎn)是它的反應(yīng)速度要稍微慢一些，光束的可轉(zhuǎn)向范圍要更小一些。經(jīng)過這么多年的發(fā)展，集成光波的單向控制芯片中擁有全固態(tài)、體積小的LiDAR解決方案得到了廣泛的發(fā)展研究；另一方面，硅基材質(zhì)的相控陣?yán)走_(dá)也擁有了COMS的相同特點(diǎn)，價格降低，存在的缺陷是掃描速度還有待提升，可以通過采用硅基等離子體色散效應(yīng)的相位調(diào)制器來滿足更高速的應(yīng)用需求。從現(xiàn)有的相控陣芯片的相關(guān)性能分布上看，相控陣?yán)走_(dá)的大規(guī)模集成將增大激光雷達(dá)的反射面積和提高分辨率，但它也會加大電級排布的困難性。因此，對于一種高精度、高效率、小型化的電極的發(fā)明創(chuàng)造就顯的極為重要了。

目前在研究比較熱門的車載激光雷達(dá)領(lǐng)域，成熟商用的激光雷達(dá)大多是機(jī)械式激光雷達(dá)，行業(yè)龍頭Velodyne公司成立于1983年，經(jīng)過多年機(jī)械雷達(dá)研究的積累，行業(yè)地位很難動搖。Leddar Tech公司是MEMS激光雷達(dá)的代表公司。

國內(nèi)的相關(guān)激光雷達(dá)公司的成立普遍要晚一些，北科天繪等新興公司將大量的精力都投入到機(jī)械式激光雷達(dá)的改進(jìn)方面，在MEMS的激光雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域還投入很少。北醒科技等其他一些公司在Flash激光雷達(dá)方面有較大的進(jìn)展，出現(xiàn)了很多新產(chǎn)品。還有一些公司也在不斷崛起，開發(fā)各種適用于人們生活的激光雷達(dá)，以提高人們生活的便捷程度。

總的來說，擁有大功率、大角度的掃描范圍和高分辨率的全固態(tài)的小型化激光雷達(dá)設(shè)備是未來的發(fā)展方向，也需要相關(guān)人員和機(jī)構(gòu)的不斷投入。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提升，對于激光雷達(dá)快速發(fā)展的一些限制正在解除，所以，在不久的將來，更為先進(jìn)的激光雷達(dá)設(shè)備將不斷誕生。它的不斷發(fā)展將繼續(xù)推動人類生活的不斷進(jìn)步，提升人類整體生活的便利程度。同時，各企業(yè)和機(jī)構(gòu)也需要不斷地加大投入的力度，將夜激光雷達(dá)的發(fā)展和智能無人駕駛汽車的發(fā)展相融合，提升行業(yè)整體的發(fā)展水平，從最小的地方出發(fā)，發(fā)現(xiàn)最大的可能。