車載激光雷達核心性能參數(shù)及分類標(biāo)準(zhǔn)

近年來，智能汽車的發(fā)展極大地推動了激光雷達產(chǎn)業(yè)的熱度，目前國內(nèi)外在激光雷達領(lǐng)域布局的公司越來越多。激光雷達是一種發(fā)射光束并接收回波獲取目標(biāo)三維信息的系統(tǒng)，已經(jīng)有著幾十年的應(yīng)用歷史。激光雷達系統(tǒng)復(fù)雜，應(yīng)用場景多樣，多種技術(shù)路線并存，因此，對激光雷達性能的評價不是一個簡單的問題，尤其是一些參數(shù)容易混淆，如探測精度、探測準(zhǔn)確度、探測分辨率、幀頻和點頻等。

由于還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同廠家在宣傳中選擇的參數(shù)并不完全一樣。實際上，并非所有的參數(shù)都是激光雷達的核心參數(shù)，還有一些參數(shù)之間存在較強的關(guān)聯(lián)性。如果不能正確認識這些參數(shù)的含義、相互關(guān)系、決定因素，很可能被個別高性能指標(biāo)所迷惑，而無法了解激光雷達的真實性能。

本文選擇車載激光雷達的關(guān)鍵性能參數(shù)，對這些參數(shù)的定義、計算方法、相互關(guān)系、決定因素等進行了梳理和歸納，可以幫助用戶更好地使用激光雷達，對激光雷達的設(shè)計也有指導(dǎo)意義。

車載激光雷達核心性能參數(shù)及分類

對車載激光雷達的評價通常涉及到性能、可靠性以及應(yīng)用等方面。用戶關(guān)心的參數(shù)很多，包括：激光波長、探測距離、視場角（垂直+水平）、測距精度、角分辨率、出點數(shù)、線束、安全等級、輸出參數(shù)、防護等級、功率、供電電壓、激光發(fā)射方式、使用壽命等。但激光雷達功能上是一種距離測試系統(tǒng)，其核心性能應(yīng)圍繞測試的速度、測試的空間范圍、測試分辨率、測試的準(zhǔn)確度、測試的重復(fù)度幾方面來評價。依據(jù)這個原則，通常認為激光雷達的核心性能參數(shù)有幀頻、最大探測距離和最小探測距離、視場角、距離分辨率、水平角分辨率、垂直角分辨率、點頻以及測距精度和測距準(zhǔn)確度。

根據(jù)現(xiàn)有激光測距儀相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)查詢，參數(shù)定義為： 重復(fù)頻率：每秒鐘完成的測距次數(shù)。 測距范圍：在規(guī)定大氣條件下，對規(guī)定目標(biāo)達到規(guī)定的測距準(zhǔn)確度時，能探測到的最遠/近距離。 水平視場角：在水平方向上最大方位掃描角度θx。 垂直視場角：在垂直方向上最大方位掃描角度θγ。 距離分辨率：在光束傳播方向上能夠區(qū)分兩個目標(biāo)之間的最小距離間隔。 角分辨率：在測距范圍內(nèi)，對位于光束截面上相對光軸的兩目標(biāo)分辨的能力。 測距精度：所測得的目標(biāo)距離值與實際距離值之間的偏差。

測量準(zhǔn)確度：達到規(guī)定測距精度的測距概率。

參數(shù)間的關(guān)系及決定因素

幀頻與轉(zhuǎn)速、掃描頻率

轉(zhuǎn)速是車載激光雷達一個很直觀的參數(shù)，對于機械旋轉(zhuǎn)激光雷達，轉(zhuǎn)速指的是電機旋轉(zhuǎn)速度，通常用每秒或每分鐘轉(zhuǎn)的圈數(shù)來表示。即20 r/s 表示激光雷達的電機轉(zhuǎn)速是每秒鐘20 圈。

激光雷達的幀頻和掃描頻率與轉(zhuǎn)速相關(guān)，旋轉(zhuǎn)一周掃描一次，掃描一次輸出一幀點云。20 r/s 的轉(zhuǎn)速對應(yīng)的幀頻和掃描頻率都是20赫茲。

激光雷達電機旋轉(zhuǎn)速度越快，掃描速度越快，輸出點云的速度也越快。

激光雷達的最大和最小探測距離

激光雷達的探測距離是最關(guān)鍵的性能參數(shù)。激光測距性能方程是激光測距系統(tǒng)設(shè)計的理論基礎(chǔ)，用于估算激光測距系統(tǒng)的最大探測距離。如圖所示，激光器發(fā)出的光功率為P0，光束經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)和傳輸距離R，被光學(xué)系統(tǒng)和大氣衰減之后到達目標(biāo)物，再從目標(biāo)反射光線到達接收光路。

激光雷達內(nèi)部光路

到探測器的光功率為

在公式中，目標(biāo)物體的反射率被表示為ρ，發(fā)射和接收光學(xué)系統(tǒng)的透過率分別為TE和TR，窄帶濾光片的透過率被記作TF，大氣衰減率被記錄為σ，目標(biāo)反射表面法線與光軸之間的夾角為β，接收機透鏡孔徑面積為AR，目標(biāo)距離為R。

根據(jù)公式的分析，我們可以得出激光測距系統(tǒng)的最大測程是受到外部測距條件和測距系統(tǒng)自身性能的雙重影響。在激光測距系統(tǒng)的設(shè)計過程中，為了提高測程范圍，必須采取一系列措施，如提升激光發(fā)射單元的發(fā)射功率、增加光學(xué)系統(tǒng)的透過率、增大接收單元的面積以及減小接收機的最小可探測功率PRmin。

同時，ε和γ兩個系數(shù)與光斑大小、目標(biāo)物體的有效發(fā)射截面積Am、發(fā)射光束的遠場發(fā)散角θt和接收視場角θr之間存在著一定的關(guān)聯(lián)性。

當(dāng)目標(biāo)物的有效發(fā)射截面積小于光斑面積時，發(fā)射光束的遠場發(fā)散角會增大，導(dǎo)致光束發(fā)散速度加快，同時接收端接收到的光功率也會減小。因此，為了減小激光器的光束發(fā)散角和光斑大小，發(fā)射端需要通過準(zhǔn)直整形進行優(yōu)化。此外，除了最大探測距離之外，激光雷達內(nèi)部發(fā)射光路與接收光路之間的距離也會導(dǎo)致探測盲區(qū)的產(chǎn)生。當(dāng)探測距離低于最小探測距離時，激光雷達將無法探測到目標(biāo)物。

最小探測距離Lmin的計算方式為：

在公式中，D 為發(fā)射準(zhǔn)直光路中心與接收會聚光路中心的垂直距離；d 為探測器的感光區(qū)域直徑；f 為所選透鏡的焦距。

視場角

激光雷達的視場角是衡量其感知范圍的重要指標(biāo)。視場角越大，激光雷達能夠感知的范圍更廣，對于汽車駕駛的安全性有著積極的影響。然而，并非在所有情況下視場角越大越好。例如，在相同線數(shù)的情況下，視場角增大會導(dǎo)致垂直角分辨率降低。因此，視場角的選擇應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境和使用要求進行權(quán)衡。決定視場角的主要因素包括激光雷達的掃描部分和光學(xué)設(shè)計。機械旋轉(zhuǎn)掃描方式由于整個收發(fā)部分都在旋轉(zhuǎn)，因此很容易實現(xiàn)360°的水平視場角。而轉(zhuǎn)鏡、棱鏡和微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS）等掃描方式的視場角則由掃描鏡對光的反射角度決定。尤其是MEMS掃描方式，由于MEMS微振鏡的口徑有限，激光雷達的掃描角度范圍也相當(dāng)有限。為了擴大視場角，可以采用凸凹透鏡組成的擴角系統(tǒng)來進行光學(xué)擴束，從而增加視場角。

距離分辨率

距離分辨率指的是在同一方位上，能分辨的最小距離ΔR。

如圖所示，發(fā)射脈沖的寬度為τ，當(dāng)兩個回波脈沖的前沿的時間間隔Δt=2ΔR/c≥τ時，兩個脈沖不重疊，激光雷達可以正確分辨兩個脈沖，反之兩個回波脈沖重疊，激光雷達無法分辨兩個物體。

回波脈沖示意圖

因此，脈沖雷達中最小距離分辨率ΔR≥cτ/2。由此可見，降低脈沖寬度有利于提高激光雷達的距離分辨率。

水平角分辨率和垂直角分辨率

角度分辨率是激光雷達的關(guān)鍵參數(shù)，它決定了在一定距離內(nèi)激光雷達能夠識別的物體的大小。如圖所示，假設(shè)激光雷達的垂直角分辨率為0.08°，即兩個激光光束之間的角度為0.08°，那么當(dāng)探測距離為200 m時，兩個光束之間的距離為200 m×tan0.08°≈0.28 m。也就是說，在200 m之后，障礙物尺寸小于28 cm就有被忽略的風(fēng)險。

激光雷達的線束示意圖

垂直角分辨率最直接的決定因素是激光雷達的線數(shù)。在激光雷達線束均勻分布的情況下：

垂直角分辨率=垂直視場角/線數(shù)

為了提高線數(shù)，一維掃描方案通常通過堆疊中間區(qū)域的激光器實現(xiàn)，而二維掃描方案的線數(shù)分布可以任意變換，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)感興趣區(qū)域的角度范圍和垂直分辨率大小。

水平角分辨率的計算公式為：

水平角分辨率=視場角×轉(zhuǎn)速/采樣率

水平角分辨率與視場角和幀頻相關(guān)，不能在不考慮這兩個參數(shù)的情況下單獨觀察水平分辨率。相同視場角下，采樣率一定的情況下，轉(zhuǎn)速越慢水平角分辨率越高。? ? ?

點頻

點頻，又稱出點數(shù)，是指激光雷達每秒獲取的探測點的總數(shù)目。其計算公式為：

點頻 = 每幀水平方向平均點數(shù) × 每幀垂直方向平均點數(shù) × 幀頻

對于一維掃描方式，每次掃描垂直方向的平均點數(shù)即為其線數(shù)，因此有：

點頻 = (水平視場角 / 水平分辨率) × 線數(shù) × 幀頻 = 采樣率 × 線數(shù) × 幀頻 / 轉(zhuǎn)速 = 采樣率 × 線數(shù)

從以上公式可以看出，點頻由激光雷達的采樣率和線數(shù)決定，與幀頻無關(guān)。提高幀頻會導(dǎo)致水平分辨率降低，而點頻保持不變。通過利用點頻參數(shù)，可以避免靠降低幀頻來提高水平分辨率的取巧方法。點頻是激光雷達的核心性能參數(shù)之一，點頻越高意味著激光雷達對目標(biāo)物的感知能力越強。

測距精度與測距準(zhǔn)確度

測距精度和測距準(zhǔn)確度這兩個參數(shù)容易混淆。測距精度衡量的是測試的重復(fù)性，高精度意味著對同一目標(biāo)的重復(fù)測量結(jié)果非常接近，低精度則表示測量結(jié)果在均值附近的離散性較大。而測距準(zhǔn)確度反映的是測試的距離與其實際距離的接近程度偏差。

測距精度與激光雷達的信噪比密切相關(guān)。當(dāng)信噪比高于一定閾值時，測距數(shù)據(jù)的分布較好地服從正態(tài)分布，隨著信噪比的降低，測試數(shù)據(jù)的分布范圍變大，測試精度也會下降。

測距準(zhǔn)確度直接正比于飛行時間的準(zhǔn)確度。如圖所示，激光雷達通過比較發(fā)射和反射脈沖的時間差來計算飛行時間。

激光雷達時間差測試原理

飛行時間的準(zhǔn)確度取決于發(fā)射、接收脈沖觸發(fā)時間的準(zhǔn)確度以及內(nèi)部時鐘晶振的頻率穩(wěn)定性。發(fā)射脈沖和時鐘穩(wěn)定度由激光雷達的內(nèi)部電路決定，而接收脈沖觸發(fā)時間準(zhǔn)確度則與激光脈沖形狀、目標(biāo)物反射特性以及背景噪聲等因素相關(guān)。

近年來，隨著輔助駕駛車載應(yīng)用場景的快速發(fā)展，激光雷達技術(shù)也在不斷完善和迭代。然而，多種因素導(dǎo)致激光雷達性能的評價變得較為復(fù)雜。本文將對車載激光雷達的幾個關(guān)鍵性能參數(shù)進行詳細而系統(tǒng)的分析。通過對參數(shù)計算方法的分析，能夠幫助理解不同參數(shù)之間的關(guān)系以及性能參數(shù)的決定因素。?

編輯：黃飛

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