自主可控多線激光雷達關鍵技術研究及實現*

王榮秀

(重慶工商大學人工智能學院，重慶 400067)

激光雷達由于方向性好、抗干擾、探測速度快、精度高，特別是多線激光雷達能生成準確的三維點云，因此被廣泛用于環(huán)境探測與感知，如汽車自動駕駛、飛行導航、地形或建筑物測繪等[1-2]。在自動駕駛領域，隨著相關技術的進步及配套算法的開發(fā)應用，激光雷達體現出了獨特的優(yōu)勢。毫米波雷達測距受到頻段損耗的制約，無法感知行人，難以對周邊障礙物進行精準建模；超聲波雷達在短距檢測上有一定優(yōu)勢，但不利于檢測高速運動的物體且其回波串擾問題嚴重；視覺傳感在檢測精度和實時性方面還存在一定的不足，抗干擾能力較差；因此，以激光雷達為核心的環(huán)境感知技術更適用于汽車自動駕駛，激光雷達已成為自動駕駛技術的核心裝備[3-4]。

激光雷達是一個光、機、電的融合體，其產品的設計與實現還存在許多有待解決的問題，尤其是國內產品與國外產品還存在不小的差距。雖然基于MEMS 的固態(tài)激光雷達與光學相控陣雷達是研究熱點，但技術尚不成熟，沒有達到大面積使用的程度。機械掃描式激光雷達是目前市場上應用最廣泛的激光雷達，但還有許多技術細節(jié)有待革新，同時價格昂貴，主要技術專利被國外公司壟斷，因此開發(fā)具有自主知識產權且性能優(yōu)良的激光雷達勢在必行。

本文主要圍繞激光雷達系統的實現展開，以機械式整體旋轉掃描的32 線激光雷達為研究對象，分析其系統原理、系統組成及技術難點，探索其核心技術問題并給出解決方案；同時給出其在自動駕駛環(huán)境感知中的應用例子，具有很大的推廣價值和意義。

1 系統基本原理與構成

1.1 系統原理

在環(huán)境探測中，激光雷達通過光子的來回運動測量距離，并利用激光良好的準直性獲得目標物的空間方位。由于脈沖激光峰值功率高，發(fā)散角較小，脈沖持續(xù)時間短，測距量程大、速度較快且無需合作目標，這使得脈沖激光測距在探測距離和測量精度上具有顯著優(yōu)勢[5-6]，尤其適合對相對速度較大的運動物體進行實時測量。

脈沖式測距原理如圖1 所示。激光以一定頻率發(fā)射脈沖光波，計時電路記錄下發(fā)射時刻t1和目標物反射回波的接收時刻t2，從而得到兩個時刻的差Δt=t2-t1，則目標物與激光系統的距離R可表示為

圖1 脈沖激光測距示意圖

式中:c為光速，n為空氣的折射率。

由式(1)可知，激光雷達測量的準確性主要取決于時刻t1和t2的精準度，同時目標物的方位則由激光雷達掃描光束在水平方向及垂直方向的分辨率決定。在實際應用中，激光雷達測距還受到許多其他因素的影響，如系統時鐘頻率、介質(主要是空氣)對光信號的衰減、目標物表面對光波不同角度的反射或散射引起的波形畸變或脈沖展寬，以及信號在電路處理過程中的延遲等。

1.2 系統構成

三維激光雷達系統由光學單元、機械單元、電路單元三大部分組成。光學單元主要是光學望遠鏡，包括發(fā)射望遠鏡和接收望遠鏡。機械單元包括由殼體、電機組件及無線供電/數據傳輸的電路組成的旋轉部件。電路部分包括:脈沖供電激光發(fā)射陣列、脈沖供電接收陣列、計時及主控電路、供電及無線數據傳輸電路等，系統框圖如圖2 所示。

圖2 激光雷達系統組成框圖

各模塊功能及系統工作流程如下:

(1)供電及無線數據傳輸電路:為系統供電及通過無線傳輸為旋轉部件供電、控制電機帶動旋轉部件旋轉、通過無線數據傳輸與主控電路通信。

(2)主控電路:控制系統發(fā)光時序，實現發(fā)光測量。接收計時信號并計算距離，進行距離修正，將距離信息通過無線數據傳輸給供電及無線數據傳輸電路。

(3)脈沖供電激光發(fā)射陣列:產生脈沖電流使LD 發(fā)光，產生納秒級脈寬的光信號。

(4)發(fā)射望遠鏡:將光信號準直、整形并投射在被測物體上。

(5)接收望遠鏡:將反射光信號經濾光系統和聚光系統匯聚在APD 光敏面上。

(6)脈沖供電接收陣列:進行光電轉換，形成電流信號，再經電路放大后輸入后級處理電路。

(7)計時電路:通過閾值設定和比較電路，獲得接收波形上的準確時間，對波形進行整形；從發(fā)光時刻開始進行計時，到時刻鑒別之后計時結束，獲得兩者之間準確的時間點；并將時間信息發(fā)送給主控電路。

2 系統設計難點及解決方案

在系統的設計過程中，主要解決了5 個關鍵性的技術難題:高精度激光回波信號的時刻判別方法；半導體激光脈沖的高重頻、高頻響、高峰值電流驅動技術；高帶寬、高增益、低噪聲接收電路的設計；分時點對點激光發(fā)射與接收的抗回波串擾技術；三片式低像差小F 數的接收望遠鏡光學系統設計。

2.1 基于雙閾值回波信號起始點判別的高精度時刻鑒別技術

前沿鑒別法將輸入信號與固定閾值進行比較，判斷出過閾時間，從而得到回波到達接收器的時刻。相比于其他時刻鑒別法，前沿時刻判別法的優(yōu)點是簡單快速、動態(tài)范圍寬且電路代價低，因此易于實現，但由于脈沖回波不可避免地存在幅度降低、波形畸變、脈沖展寬等現象，再加上處理電路的信號延時，從而使前沿時刻鑒別法有較大的誤差[7-9]，如圖3 所示。

圖3 前沿鑒別時刻誤差示意圖

其中Vt為閾值，Δtl為延遲誤差，Δtm為空氣及目標物表面的幾何形態(tài)與表面性質引起的漂移誤差。若對出射光波與回波采用相同結構與性質的電子電路來處理，則Δtl一般可消除。漂移誤差Δtm則受外界不可控因素的作用，是不可避免的，因此如何采用有效的方法減少Δtm是提高測距精度的關鍵技術之一，也是國外各大激光雷達供應商的核心技術機密。項目組在研究中發(fā)現盡管接收到的回波信號幅度、脈沖寬度等發(fā)生變化，但同一距離脈沖回波信號的起始點是不發(fā)生變化的，與回波幅度、反射面、入射角度等因素無關，因此只要能準確回溯接收信號的起點就可獲得準確的脈沖到達時間，這樣可從根本上去除時刻鑒別誤差。一種簡單有效的方法是利用雙閾值技術測量脈沖信號上升沿斜率，從而推算出接收信號的起點，如圖4 所示。

顯然，由圖4 可知，回波信號的接收時刻t可由式(2)得出:

圖4 脈沖信號起始點的雙閾值測定

實際設計時低閾值Vta選取的原則為大于太陽光等造成的噪聲。高閾值Vtb的選取原則是使測距最大時(系統設定200 m)的回波信號能夠觸發(fā)。本項目中高低閾值分別設為2 V 和150 mV。

2.2 高重頻、高頻響、高峰值電流半導體激光脈沖驅動技術

系統中采用的激光管是SPL PL90_3，是一款納秒級脈沖激光二極管，可發(fā)射中心波長為905 nm 的紅外光。其內部發(fā)光材料為InGaAs/InGaAs，有效發(fā)光面積為200 μm×10 μm，峰值額定功率為75 W，對應驅動電流峰值為40 A。常見的TO 玻璃封裝直徑為5.9 mm，不能滿足設計需求，項目中采用了管芯封裝技術，電路板采用0.4 mm 的厚度，封裝后電路板與激光器不超過1 mm，滿足了排布需求。

激光脈沖上升沿時間影響測量精度，上升沿時間越短，測距誤差越小；激光脈沖功率決定測距能力；而重復頻率決定了單位時間的測量點數。兼顧高重頻、快速脈沖上升時間和大驅動電流是半導體激光器驅動的難題[10]。傳統的窄脈沖激光驅動采用大電容儲能、高速功率管控制放電電流和持續(xù)時間，其缺點是大電容充電時間較長，在kHz 的高重頻下不能將電容充滿，無法達到滿功率工作[11]。

項目提出了采用高壓對小電容充電的方法，實現大驅動電流的同時提高了重頻。本系統中設計的激光驅動陣列中單路激光驅動原理圖如圖5 所示:

圖5 激光驅動原理圖

TTLIN 信號是由主控系統提供的發(fā)光起始脈沖，C4的作用是起到隔直的作用，防止TTLIN 誤提供持續(xù)的高電平，導致激光驅動發(fā)生損壞；U1 是MOS 管驅動芯片，為MOS 提供柵源電壓，提高驅動能力；當Q1 導通時，V1 將通過電感對地放電，產生較大的電流，此時Q2 也導通，但C1、C2沒有存儲能量而激光不會發(fā)光；當Q1 關閉時，電感將通過D1對C1、C2電容進行充電，當充滿電后C1、C2的電壓遠大于V1；當脈沖再次到來時，Q2 導通，C1、C2通過LD 進行放電，激光管瞬間發(fā)光，產生較大的瞬時功率，依次循環(huán)。

為了能夠使激光驅動產生40 A 的峰值電流，Q2 必須選用DS 導通電流能夠通過40 A 的MOS管，這項指標一方面受MOS 本身限制，另一方面受MOS 的VDS 電壓限制，通常DS 電壓越高，MOS 管的DS 導通電流越大。

由單路激光驅動的原理可見，激光驅動所需高壓并不是持續(xù)存在的，當需要發(fā)光時，高壓隨控制信號的到來而升高，當發(fā)光結束后，高壓隨即消失，這樣激光驅動便不會產生額外的功耗。實測在18 kHz 的重復頻率、70 W 的峰值功率情況下，單路激光驅動的功耗只有0.1 W，32 路的驅動陣列功耗只有3.2 W。而激光驅動陣列是系統當中的主要功率部件，此設計大大降低了功耗需求，減小了熱量產生。

項目通過綜合采用高速、高壓MOS 管，調整放電回路的電路參數，縮小電容放電時間，完善了高重頻、快速、峰值功率可高達100 W 的驅動模塊，總體性能與國際著名激光驅動公司PicoLAS 的產品性能相當(性能比較見表1)，并在最關鍵技術指標——脈沖上升時間方面更具有優(yōu)勢。

表1 激光驅動電路性能參數對比

2.3 高帶寬、高增益、低噪聲的接收電路設計

從激光測距的數學模型可知，激光發(fā)射功率和測距能力成正比關系，在不提高發(fā)射功率的前提下增加測距能力，給接收系統的信號處理能力提出了巨大的挑戰(zhàn)。

為了獲得更高的測距能力，信號必須被放大到足夠被后級電路處理的幅度，因此對放大電路的增益要求很高，而對于放大電路來說，增益與帶寬是相互制約的，增益越高，帶寬越低，信號就會失真，導致測距不準確，并且噪聲也會被隨之放大。設計中采用了暗電流較低的“雪崩光電二極管”APD，型號為AD500-9，其光敏面面積為0.196 mm2，暗電流為0.8 nA，結電容為1.2 pF，靈敏度為52 A/W，輸出信號上升沿為0.55 ns，帶寬為500 MHz。其后通過選擇高帶寬、低噪聲的集成運放設計，滿足10%反射面，距離為100 m 的測距指標，在有噪聲的情況下達到±3 cm 精度的設計指標。

2.4 分時點對點激光發(fā)射與接收的抗回波串擾技術

多線激光傳感器與單線激光傳感器的一個重要區(qū)別是多線激光傳感器中存在多個發(fā)射和接收系統，如果同時發(fā)射，則脈沖回波必然相互疊加，接收器就會收到來自多個發(fā)射源的回波，從而產生信號之間的串擾，導致測量結果失真并降低系統工作效率。若采用機械隔離的方式，在光路系統中對每個發(fā)射器配備相應的接收器，只接收特定角度的反射回波，則可以基本解決信號相互串擾的問題，但其結構復雜，且不利于小型化。另一種方法是每個發(fā)射器選用不同頻率的脈沖光，在接收回波時進行濾波處理，只允許頻率匹配的回波通過，這樣也可以達到消除串擾的目的。這種方法類似于消除多個超聲換能器串擾所使用的相關匹配法[12]。其不足是電路復雜，實時性較差，難以實現，且對激光的單色性要求較高。在本系統設計中，我們采用多路激光發(fā)射和接收分時處理的方式，在同一時間段內，僅有一個激光器發(fā)射脈沖，保證接收器只接收單一脈沖的回波，同時采用“先發(fā)射先處理”的順序。由于需要對激光發(fā)光和接收進行高速的選通，以避免在通道切換過程中引入計時偏差，我們選擇ns 級偏差的選通器件。另外，各通道共用一個計時單元，有利于結構的小型化，提高設備的穩(wěn)定性。

分時發(fā)射與接收方案中，要完全避免串擾還需解決“后發(fā)先至”的問題，也就是先發(fā)射的脈沖如果反射物較遠，而后發(fā)脈沖反射物較近，則有可能后發(fā)脈沖的回波先于先發(fā)脈沖的回波到達接收器(或同時到達)，因此在分時方案設計中必須消除這一問題。

考慮第i和第j個脈沖激光器，j＞i，i先發(fā)射，如圖6 所示。若接收器與發(fā)射器之間的距離遠小于與被測物體的距離，可認為接收器與發(fā)射器到目標物的距離相等。設第i個脈沖發(fā)射于時刻ti1，接收于ti2，反射物距離為ri；第j個激光器于tj1發(fā)送脈沖，接收器于tj2時刻收到，反射物距離為rj；若接收器接收到回波并經電路轉換與處理所需時間為Δτ，則容易得知，要避免前后回波信號之間的串擾應滿足tj2-ti2＞Δτ，利用式(1)，可得

圖6 后發(fā)先至引起的回波串擾

若任意兩個相鄰單元之間不產生串擾，則整個系統就不存在串擾，因此不失一般性，取j-i=1；同時假定測距系統的最大量程為Rm，則式(3)可簡化為

由式(4)可確定各激光器脈沖間隔，即各通道切換頻率。一般式(4)中右邊第二項遠大于第一項。若選用高速ns 級器件，則可取Δτ=10 ns，空氣折率n≈1，最大測距Rm=200 m，可知取ti+1-ti≥1.5 μs，即相鄰脈沖間隔不小于1.5 μs 就可完全消除串擾，因此各通道切換頻率不超過0.75 MHz，本項目取值為0.66 MHz。

2.5 三片式低像差光學整形及小F 數的接收望遠鏡光學系統設計

半導體激光器具有體小質輕、結構簡單、使用方便、對人眼安全、價格便宜、可電控等一系列優(yōu)點，但不足之處是發(fā)散角大、發(fā)光截面積大等。因此在測距系統中，需對脈沖激光進行準直處理。傳統的小孔整形方式易實現，但系統效率相對較低。為提高光束質量及系統效率，項目組采用了三片式的光學結構[13-14]，如圖7 所示。三片式的基本結構由二個分離并帶膠合面的凸透鏡和一個位于中間的凹透鏡組成。三片式結構可保證場曲為0，且膠合面的折射率差可有效改善軸外像差，提高出射光邊緣的質量，由此解決了半導體激光器整形問題，提高了系統效率。經測試系統效率達到66%，快慢軸發(fā)散角控制在3 mrad 內。

圖7 三片式半導體激光器整形結構示意圖

光學接收系統的接收效率直接影響了三維激光雷達的測距能力，而接收系統的焦距與光瞳大小又會影響到系統整體尺寸。F 數小的光學系統能使像面上接收到的光強更大且光學分辨率更高，這就要求較短的焦距與較大尺寸的光瞳，但實現困難且造價昂貴，光瞳尺寸過大也不利于系統小型化。為確保提高測距能力的同時減小系統空間體積，采用了F 數接近1 的設計思路，同時通過三組三片鏡的結構有效減小系統特別是邊緣視場的像差，提高光學接收系統的效率。

3 應用實例——車路協同智能感知系統

目前，自動駕駛在港口、礦區(qū)、物流園區(qū)、高速公路等封閉和半封閉場景相繼落地，但是在城市場景卻實現困難。主要原因在于城市場景中，道路開放，結構復雜，機非混行，密度大，行為差異顯著，這對自動駕駛的環(huán)境感知能力有著更高的要求。目前，自動駕駛車載核心傳感器感知距離有限，且為視距的類人感知，無法滿足超遠距離及交叉口、遮擋區(qū)等非視距環(huán)境感知需求。

為了突破自動駕駛車輛的遠距離和非視距感知難題、提升車路協同基礎設施的商業(yè)價值、實現5G與車聯網的深度結合，項目組提出了路側激光雷達+5G+邊緣計算的車路協同智能感知系統，如圖8 所示。車路協同智能感知系統集道路信息感知、數據存儲計算、信息中繼傳輸功能于一體，采用先進的傳感器實現交通信息精確感知。利用邊緣計算技術對感知信息進行分析處理，通過5G-V2X 通信，以極低時延將信息傳輸給周邊車輛、移動終端及云端。

圖8 車路協同示意圖

車路協同智能感知系統利用路基3D 激光雷達進行道路環(huán)境感知、利用MEC 進行數據智能計算，并采用5G-V2X 的信息傳輸系統。在感知系統中，路基3D 激光雷達是道路環(huán)境感知的主體，布設于關鍵和復雜的路口或路段，對所在區(qū)域道路進行精確感知；激光雷達安裝在路側具備獨有的優(yōu)勢，由于安裝高度高，視距條件更好，不容易被遮擋，擁有“上帝視野”，同時位于交叉路口，可感知多方向道路，視野更加開闊。

計算系統的主要功能是匯集區(qū)域內激光雷達點云數據，進行計算處理，構建動態(tài)高精度地圖并將處理后的信息進行分發(fā)、存儲和上報，實現動態(tài)高精度地圖的構建。主要包括四個方面的任務:首先是道路建模，識別激光雷達所在區(qū)域的固定結構；其次是目標分割，識別道路環(huán)境中非固定物體的存在情況；再者是目標聚類，將感知目標劃分為大型車輛、小型車輛、行人、非機動車等類型；最后是目標的持續(xù)跟蹤，輸出目標的實時位置、大小、速度、方向，并推算目標軌跡。

在傳輸系統中，感知數據通過5G-V2X 傳輸至邊緣節(jié)點，并將環(huán)境感知數據分析結果通過5GV2X，分發(fā)到交通參與者。主要包括兩大部分:第一部分是激光雷達原始點云數據在邊緣側的匯集，以及處理后結果的下發(fā)；第二部分是服務請求的發(fā)起和服務的提供。目前，V2X 路側終端的通信制式是LTE-V2X+4G，未來將會融合LTE-V2X、5G、5G NR-V2X 等多種通信制式。

4 結束語

三維激光雷達具有檢測快速、檢測距離遠、三維掃描的特點，作為自動駕駛車輛的“眼睛”，已經成為車輛必不可少的傳感器。本文對三維激光雷達系統設計過程中的關鍵技術難點進行分析，并提出了相應的解決方案，其性能指標能夠滿足需求，并且方案簡單，成本較低，功耗較低，體積小，整體設計指標接近于國外的成熟產品?；谶吘売嬎慵夹g的車路協同智能感知系統解決方案為激光雷達在路側的應用提供了豐富的實踐環(huán)境。目前已經在許昌5G 自動駕駛示范區(qū)、鄭州宇通智慧島“智慧島5G 智能公交”等全國多個示范項目中落地應用。通過技術突破，解決發(fā)展瓶頸，打破國外壟斷，實現了自動駕駛核心零部件的國產化，最終推動自動駕駛技術的普及與發(fā)展。