自動駕駛的明眸慧眼

史金陽 陳鯤

什么是雷達？

雷達一詞來源于Radar的英文音譯，是英文“無線電探測與測距”的縮寫。顧名思義，雷達的作用是發(fā)現(xiàn)目標與確定目標的“位置”，這和我們眼睛的功能是極為相似的。

那么雷達是如何工作的呢？舉個形象的例子，當我們處于一個沒有燈光的黑暗環(huán)境時，我們很難通過肉眼分辨周圍的物體。此時我們打開手電筒，周圍變得清晰并且可以比較準確地定位周圍物體的相對位置。這個發(fā)現(xiàn)周圍物體的過程可以分解為以下步驟：

首先，我們使用手電筒發(fā)射燈光，使得手電光照在周圍的物體上，由于物體的表面不能完全吸收這些光，所以會反射一些光到環(huán)境中。隨后，眼睛接收到這些反射的燈光并把眼睛接收的燈光信息轉(zhuǎn)換為神經(jīng)脈沖信號。神經(jīng)脈沖信號經(jīng)過神經(jīng)的傳導(dǎo)到達大腦。最后，大腦經(jīng)過判斷，意識到周圍物體的存在并根據(jù)雙眼角度確定物體的相對位置。當然，以上過程只在一瞬間就完成了。

如果將上述過程中的手電筒換成一個雷達的發(fā)射機，接收光線的眼睛替換為雷達的接收機，雷達的信號處理系統(tǒng)等效為大腦，我們就可以形象地理解雷達系統(tǒng)的運作原理了。雷達通過脈沖回波與發(fā)射脈沖的間隔確定與目標的距離。之后通過實驗測量出電磁波在當?shù)丨h(huán)境下的傳播速度，然后便可以通過確定發(fā)射脈沖與反射波的間隔確定電磁波的飛行時間。當我們擁有了速度與時間兩個參量，我們就可以使用速度與時間的乘積的一半計算出兩者間隔的距離。

全天候“服務(wù)管家”——毫米波雷達

毫米波指波長介于1～10納米的電磁波，毫米波雷達則指工作在毫米波波段的雷達。毫米波的波長介于厘米波和光波之間，因此毫米波兼有微波制導(dǎo)和光電制導(dǎo)的優(yōu)點。毫米波雷達得益于特殊的高增益天線（天線增益越高，方向性越好）設(shè)計，它的方向性極強，能夠準確地辨別障礙物的相對位置。假如當雷達的方向性相對較差的時候，它將照射一個較大的范圍，那么如果出現(xiàn)障礙物，我們很難準確測量它的相對位置，只能確定它在這個范圍內(nèi)的某個位置附近。而當雷達的方向性較好的時候，一旦探測到了物體，物體的位置就可以更加準確地框在這個較小的范圍內(nèi)。

由于毫米波具有較好的穿透性，所以毫米波雷達在煙霧、揚塵環(huán)境中仍然可以對周圍環(huán)境準確感知，具有全天候全天時的特點。這些特性對于自動駕駛而言極為重要，它可以在能見度較差的條件下分辨來往車輛、人員、低矮路障以及細小障礙物，避免車輛因為缺乏對周圍信息的感知而作出錯誤決策，從而為乘客的安全提供有效的保障。

駕駛界的“香餑餑”——激光雷達

要想實現(xiàn)車輛的輔助駕駛或更高階的自動駕駛，車輛必須要能感知自己所處的環(huán)境，這對于汽車行業(yè)是一個新的挑戰(zhàn)，也是實現(xiàn)自動駕駛最關(guān)鍵的一步。

激光雷達也可以叫作Lidar，就是激光（Laser）與雷達（Radar）的集合。其實大家對它并不陌生，因為在很多無人駕駛汽車在道路上進行行駛實驗時，車頂上都會架一個看上去和攝像頭差不多，但是會一直在一定角度內(nèi)旋轉(zhuǎn)的“小罐子”，那通常就是激光雷達了。

激光雷達是一種利用光波進行測量的主動探測方式。主動探測方式是指探測系統(tǒng)通過接收自身發(fā)出的信號回波來進行測量，區(qū)別于例如攝像機等通過接收環(huán)境光獲取信號的被動探測方式。激光雷達通過測量激光從發(fā)出經(jīng)障礙物反射到被傳感器接收所經(jīng)歷的時間，來計算障礙物的距離。

大腦發(fā)現(xiàn)物體的過程（供圖/ 史金陽）

搭載雷達的無人駕駛汽車（供圖/ 史金陽）

舉個例子來說，毫米波雷達可以發(fā)現(xiàn)路邊障礙，但只能“看到”模糊形體，而厘米級精度的激光雷達則可以在極短時間內(nèi)清楚區(qū)分出障礙是路肩還是斜坡。若無人駕駛汽車斷定是斜坡后，就可以作出安全開上車道的決策。這種精度對上路行駛的無人駕駛汽車而言，可以更接近極致安全。

由于激光波長比毫米波短3個數(shù)量級，因此分辨率精度比毫米波強很多，可以清楚地識別周圍的車輛、行人與障礙物。但由于大多數(shù)物體在激光波段存在吸收與反射，傳播距離也比毫米波短不少，雨天時，激光可能被雨滴吸收或反射，干擾行車安全。由于車路協(xié)同是未來自動駕駛的趨勢，激光雷達也可以應(yīng)用到路端，由路端實時掃描并同步推送給附近車輛。

?雷達系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)飛行物的過程（供圖/史金陽）

激光雷達與毫米波雷達是汽車探路的左膀右臂。激光雷達處理近處高精度的建模，在復(fù)雜的街道保障行車安全。毫米波雷達處理遠處低精度的建模，保障復(fù)雜天氣的行車安全。

期待未來的無人駕駛汽車可以搭載低成本的激光雷達與毫米波雷達，全面應(yīng)對復(fù)雜的道路狀況，讓出行變得更安全，交通更順暢。

?激光雷達的掃描感知圖（供圖/陳鯤）

激光雷達測距效果圖

知識拓展? ? 激光雷達“大解剖”

激光雷達主要由激光發(fā)射模塊、接收模塊、掃描器、透鏡天線和信號處理模塊組成。

激光發(fā)射模塊主要是發(fā)射激光脈沖，調(diào)控激光光束;激光接收模塊主要是接收返回的激光，產(chǎn)生信號;信息處理模塊主要是將信號放大分析計算并建模。而掃描器的主要作用則是以一定形式驅(qū)動雷達在一個或多個平面內(nèi)掃描周圍情況，掃描器一般分為機械式、轉(zhuǎn)鏡式、微鏡式與泛光面陣式等。

機械式掃描器是將雷達掃描器裝在車頂上，機械轉(zhuǎn)動整個雷達掃描器，實現(xiàn)掃描（供圖/陳鯤）

轉(zhuǎn)鏡式掃描器是通過一個可機械旋轉(zhuǎn)的平面鏡控制光束出射角度，實現(xiàn)掃描，與機械式類似（供圖/陳鯤）

微鏡式掃描器通過調(diào)節(jié)微鏡發(fā)出電控光束實現(xiàn)掃描，缺點是無法360度掃描（供圖/陳鯤）

泛光面陣式掃描器內(nèi)置一個擴束鏡，通過向前方發(fā)射一束發(fā)散的激光，可以快速得到單一方向的數(shù)據(jù)，缺點是探測距離低，成像精度低（供圖/陳鯤）