關(guān)于激光雷達(dá)的六個(gè)常見誤區(qū)

隨著世界科技向智能化、高效率發(fā)展，激光雷達(dá)及其應(yīng)用也受到越來越多的關(guān)注。但是，人們對激光雷達(dá)技術(shù)及性能等方面也存在一些誤解。本文將為大家揭開關(guān)于激光雷達(dá)的六個(gè)常見誤區(qū)。

1、激光雷達(dá)應(yīng)用的技術(shù)復(fù)雜

雖然激光雷達(dá)是由不同硬件組成的復(fù)雜傳感器，但實(shí)際上其基本工作原理相當(dāng)簡單。傳感器使用飛行時(shí)間法，該探測原理類似于蝙蝠使用聲波或雷達(dá)使用微波。

如果我們把傳感器分解成幾個(gè)部分，即激光器、探測器和光束偏轉(zhuǎn)單元，激光雷達(dá)就不再是一項(xiàng)令人望而生畏的技術(shù)了。激光源首先發(fā)出激光脈沖，這些脈沖通過微振鏡偏轉(zhuǎn)到場景中，探測器檢測反射光，根據(jù)激光脈沖發(fā)射時(shí)間和返回時(shí)間精確計(jì)算出距離。 每秒鐘重復(fù)數(shù)千次甚至數(shù)百萬次以上這個(gè)過程，實(shí)時(shí)生成精確的3D環(huán)境點(diǎn)云。這些3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)易于分析和利用，例如，用于自動(dòng)駕駛決策。 這項(xiàng)技術(shù)是在20世紀(jì)60年代早期發(fā)明脈沖激光器之后發(fā)展起來的，脈沖激光器重復(fù)發(fā)射光脈沖，而不是采用連續(xù)波。

2、在自動(dòng)駕駛汽車應(yīng)用中，激光雷達(dá)是多余的

埃隆·馬斯克（Elon Musk）在2019年的一次會(huì)議上忽視了激光雷達(dá)在自動(dòng)駕駛汽車上的用途，這一事件迄今為止滋生了許多關(guān)于激光雷達(dá)的謬論。他聲稱，在相機(jī)和智能算法的輔助下，激光雷達(dá)是多余的，并將一直堅(jiān)持自己的立場。 攝像機(jī)應(yīng)用不同的圖像識(shí)別技術(shù)，可以采集彩色視覺圖像，但僅僅采用一個(gè)攝像機(jī)，只能捕捉到2D數(shù)據(jù)，很容易導(dǎo)致視覺錯(cuò)覺和距離誤判。有不少的悲慘例子表明，這些缺陷是危險(xiǎn)的，有時(shí)甚至是致命的。 相比之下，激光雷達(dá)可以可靠地捕捉3D數(shù)據(jù)，并精確識(shí)別出距離和物體尺寸。 融合精確的3D激光雷達(dá)數(shù)據(jù)有助于在攝像機(jī)“失明”的情況下依然能夠感知周圍環(huán)境，比如在走出隧道后攝像機(jī)需要一定時(shí)間適應(yīng)光線變化等場景。 此外，攝像頭生成的2D圖像，表面上看起來可能足夠精確，足以訓(xùn)練自動(dòng)駕駛汽車的算法。但它們?nèi)匀挥泻芏嗖痪_的地方，會(huì)降低機(jī)器學(xué)習(xí)模型的準(zhǔn)確性，從而降低車輛感知、預(yù)測和決策的能力。促進(jìn)自動(dòng)駕駛的機(jī)器學(xué)習(xí)能力需要具有可擴(kuò)展性，并解決“長尾巴”問題。這意味著僅滿足道路上車輛所面臨的95%的場景是不夠的，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的自動(dòng)駕駛功能還要針對5%的棘手情況進(jìn)行訓(xùn)練，同時(shí)不斷提高其性能，這需要大量純相機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練。 相比之下，激光雷達(dá)可以提供更多的機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測模型，同時(shí)生成更高精度的訓(xùn)練數(shù)據(jù)。因此，激光雷達(dá)是更可靠、更健壯的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)所必需的傳感器。

3、激光雷達(dá)可以完全被其他傳感器取代

關(guān)于激光雷達(dá)最常見的一個(gè)誤解是，它可以被相機(jī)或雷達(dá)傳感器替代，這種誤解源于人們對這些傳感器技術(shù)如何以不同方式對物體進(jìn)行分類缺乏了解。在理解了這些傳感器的不同能力和產(chǎn)生的數(shù)據(jù)類型之后，我們會(huì)了解到它們在功能上的互補(bǔ)。相機(jī)采集到的是2D圖像，提供灰度或顏色信息、紋理和對比度。為了進(jìn)一步分析這些數(shù)據(jù)，需要使用圖像識(shí)別軟件。因?yàn)橄鄼C(jī)應(yīng)用的是被動(dòng)測量原理，物體需要被照亮來檢測。此外，需要兩個(gè)或更多的相機(jī)來創(chuàng)建3D圖像，以及高計(jì)算能力。 雷達(dá)測量三維信息，在確定物體距離和速度方面具有極高的精度。然而，分辨率較低，他們無法精確探測（以厘米為尺度）或?qū)ξ矬w進(jìn)行分類。 激光雷達(dá)將采集得到的三維數(shù)據(jù)創(chuàng)建形成點(diǎn)云，根據(jù)點(diǎn)云形狀和大小，可以精確地檢測物體，將物體分為不同的類別，如人、汽車、建筑物等。 激光雷達(dá)可以收集非常詳細(xì)可靠的三維信息，從而填補(bǔ)了其他傳感器技術(shù)的不足。在各種環(huán)境下可以檢測和準(zhǔn)確分類目標(biāo)，因此在各類傳感器中脫穎而出。來自相機(jī)的數(shù)據(jù)可以用于更深入的分析，雷達(dá)收集的距離和速度數(shù)據(jù)可以用激光雷達(dá)進(jìn)行驗(yàn)證，以獲得更高的精度。這意味著，未來所有基于傳感器的應(yīng)用都將集成攝像頭、雷達(dá)系統(tǒng)、激光雷達(dá)以及其他傳感器。

4、激光雷達(dá)不能在惡劣的環(huán)境條件下工作

攝像機(jī)不能在沒有足夠的環(huán)境照明的情況下工作，例如在汽車的應(yīng)用中，攝像機(jī)的探測距離只能達(dá)到前照燈的照射距離。相比之下，無論光強(qiáng)度條件如何，激光雷達(dá)的探測范圍都可以達(dá)到數(shù)百米，因?yàn)樗蕾嚨氖?a target="_blank">紅外激光束而不是可見光。也就是說，一輛配備了激光雷達(dá)傳感器的自動(dòng)駕駛汽車，即使關(guān)掉前照燈，在漆黑的環(huán)境下駕駛也能像在白天一樣順暢。 當(dāng)談到像霧、雨或雪這樣的惡劣條件時(shí)，激光雷達(dá)在性能上再次展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，可以在感知系統(tǒng)中彌補(bǔ)其他傳感器（如相機(jī)）的不足。 在雨中，激光雷達(dá)通常比相機(jī)表現(xiàn)得更好，因?yàn)樗鼈兊墓馐艽?。這使得光束能夠繞過傳感器反射鏡上的障礙物（如雨滴），因此激光雷達(dá)的射程在一定程度上不受影響。相比之下，相機(jī)的像素尺寸要比雨滴的尺寸小得多，因此它的視野會(huì)被遮擋。 大光束還使激光雷達(dá)能夠檢測來自不同范圍的多個(gè)回波，并只處理信號(hào)最強(qiáng)的那個(gè)。這在惡劣的天氣條件下也會(huì)很有用，比如下雪時(shí)，激光雷達(dá)可以忽略雪花的反射所帶來的影響。沒有加入任何機(jī)器學(xué)習(xí)算法的相機(jī)，不能區(qū)分雪花，濕鏡頭或硬物體，最終返回一個(gè)扭曲的圖像。 激光雷達(dá)的曝光時(shí)間和快門速度（百萬分之一秒）也比相機(jī)（千分之一秒）要短，這意味著雨滴不會(huì)被檢測為跨越多個(gè)像素的條紋，而是原始形狀。

由于激光雷達(dá)是一種光學(xué)設(shè)備，其性能在大霧等條件下也會(huì)受到負(fù)面影響，但它仍能夠提供更多比相機(jī)等傳感器的有價(jià)值的數(shù)據(jù)，并且檢測的距離更遠(yuǎn)，如上圖所示。

5、激光雷達(dá)傳感器很昂貴

曾經(jīng)有一段時(shí)間，市場上唯一可用的激光雷達(dá)是旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)，這種激光雷達(dá)非常昂貴，體積很大，無法大量生產(chǎn)。因此，人們對激光雷達(dá)及其高昂的價(jià)格仍有誤解是很自然的。但自從MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）激光雷達(dá)問世后，徹底改變了這一說法。MEMS組件是由硅制成的，很容易進(jìn)行生產(chǎn)擴(kuò)展，因此具有非常高的成本效益。 固態(tài)激光雷達(dá)采用標(biāo)準(zhǔn)組件，無需定期維護(hù)，因此成本降低。近年來，這些激光雷達(dá)傳感器的成本已經(jīng)從幾千美元降到幾百美元，這種趨勢會(huì)在未來持續(xù)下去。事實(shí)上，中程傳感器在大批量生產(chǎn)時(shí)甚至可以以三位數(shù)的價(jià)格出售。

6、基于MEMS的激光雷達(dá)性能不高

盡管基于MEMS的激光雷達(dá)傳感器具有可量產(chǎn)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但人們經(jīng)常誤以為這些設(shè)備的探測范圍很小。這種說法源于MEMS微振鏡通常非常小（因此在MEMS中稱為“微型”）。一般來說，鏡子尺寸越大，接收面積越大，探測范圍越長。虹科開發(fā)了自己的MEMS微振鏡，其尺寸超過10mm，能將高比例的光子定向返回到光電探測器上。

虹科固態(tài)激光雷達(dá)傳感器借助同軸設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)空間濾波，這意味著檢測器可以精確接收來自發(fā)射方向的光子。最小化背景光，實(shí)現(xiàn)高信噪比，從而增大探測范圍。