自動(dòng)駕駛商業(yè)化第一步，激光雷達(dá)是必備設(shè)備！

自動(dòng)駕駛概念的提出，讓汽車行業(yè)的發(fā)展看到了新的可能，自動(dòng)駕駛汽車想要商業(yè)化落地，是由硬件、軟件技術(shù)的提升；法律法規(guī)的制定；配套設(shè)施的完善及用戶對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車的認(rèn)可度提高所決定的，其中硬件、軟件技術(shù)是自動(dòng)駕駛汽車走出商業(yè)化第一步的根本。

和我們?cè)诼飞闲凶咭粯?，自?dòng)駕駛汽車想要獨(dú)立完成駕駛要求，自動(dòng)駕駛汽車周圍環(huán)境的勘測(cè)是必不可少的，其中，激光雷達(dá)作為自動(dòng)駕駛汽車難以繞開(kāi)的一個(gè)硬件設(shè)備，在提及自動(dòng)駕駛汽車時(shí)，總會(huì)成為交流的重點(diǎn)。物體檢測(cè)的策略分為：決策層融合，決策+特征層融合，以及特征層融合。在決策層融合中，圖像和點(diǎn)云分別得到物體檢測(cè)結(jié)果（BoundingBox），轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標(biāo)系后再進(jìn)行合并。激光雷達(dá)就是物體檢測(cè)中重要的硬件設(shè)備。

激光雷達(dá)的核心是一種光學(xué)遙感技術(shù)，它通過(guò)向待測(cè)目標(biāo)照射出光束，然后接收到待測(cè)目標(biāo)反射回來(lái)的信號(hào)與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)處理后，獲得探測(cè)待測(cè)目標(biāo)的位置、速度等信息。激光雷達(dá)等應(yīng)用非常廣泛，在測(cè)繪學(xué)、考古學(xué)、地理學(xué)、地貌、地震、林業(yè)、遙感及大氣物理等方面都有應(yīng)用，此外，地圖測(cè)繪、高度測(cè)量等測(cè)繪需求，也可以通過(guò)激光雷達(dá)得以實(shí)現(xiàn)。激光雷達(dá)起源于1960年代初期，在激光發(fā)明后不久，透過(guò)激光對(duì)焦成像與透過(guò)使用感測(cè)器和數(shù)位搜集裝置測(cè)量信號(hào)回傳時(shí)間，及計(jì)算距離的能力結(jié)合而產(chǎn)生。激光雷達(dá)首個(gè)應(yīng)用是在氣象學(xué)，1971年阿波羅15號(hào)任務(wù)期間，用來(lái)探測(cè)月球表面，從而繪制月球地貌。激光雷達(dá)是激光技術(shù)與現(xiàn)代光電探測(cè)技術(shù)結(jié)合的先進(jìn)探測(cè)方式。由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng) 、信息處理等部分組成。發(fā)射系統(tǒng)是各種形式的激光器，如二氧化碳激光器、摻釹釔鋁石榴石激光器、半導(dǎo)體激光器及波長(zhǎng)可調(diào)諧的固體激光器以及光學(xué)擴(kuò)束單元等組成；接收系統(tǒng)采用望遠(yuǎn)鏡和各種形式的光電探測(cè)器，如光電倍增管、半導(dǎo)體光電二極管、雪崩光電二極管、紅外和可見(jiàn)光多元探測(cè)器件等組合。激光雷達(dá)采用脈沖或連續(xù)波2種工作方式，探測(cè)方法按照探測(cè)的原理不同可以分為米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射、熒光、多普勒等激光雷達(dá)。

激光雷達(dá)也是集激光、全球定位系統(tǒng)與慣性測(cè)量裝置三種技術(shù)于一身的系統(tǒng)，相較于普通雷達(dá)，激光雷達(dá)具有分辨率高，隱蔽性好，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。激光雷達(dá)按照功能劃分為激光成像雷達(dá)、激光測(cè)距雷達(dá)、大氣探測(cè)雷達(dá)、激光測(cè)速雷達(dá)及跟蹤雷達(dá)等。激光成像雷達(dá)可用于探測(cè)和跟蹤目標(biāo)、獲得目標(biāo)方位及速度信息等。它還能夠完成普通雷達(dá)所不能完成的任務(wù)，如水雷、探測(cè)潛艇、隱藏的軍事目標(biāo)等等。激光測(cè)距雷達(dá)是通過(guò)對(duì)被測(cè)物體發(fā)射激光光束，并接收該激光光束的反射波，記錄該時(shí)間差，來(lái)確定被測(cè)物體與測(cè)試點(diǎn)的距離。傳統(tǒng)上，激光雷達(dá)可用于工業(yè)的安全檢測(cè)領(lǐng)域，我們經(jīng)常會(huì)在科幻片中看到激光墻，當(dāng)有人闖入時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立馬做出反應(yīng)，發(fā)出警報(bào)提醒。另外，激光測(cè)距雷達(dá)在空間測(cè)繪領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。但隨著人工智能行業(yè)的興起，激光測(cè)距雷達(dá)已成為機(jī)器人體內(nèi)不可或缺的重要部件，配合SLAM技術(shù)使用，可幫助機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)定位導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)自主行走。大氣探測(cè)激光雷達(dá)主要是用來(lái)探測(cè)大氣中的分子、煙霧的密度、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速及大氣中水蒸氣的濃度的，以達(dá)到對(duì)大氣環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)及對(duì)暴風(fēng)雨、沙塵暴等災(zāi)害性天氣進(jìn)行預(yù)報(bào)的目的。激光測(cè)速雷達(dá)是對(duì)物體移動(dòng)速度的測(cè)量，通過(guò)對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行兩次有特定時(shí)間間隔的激光測(cè)距，從而得到該被測(cè)物體的移動(dòng)速度。

激光雷達(dá)測(cè)速的方法主要有兩大類，一類是基于激光雷達(dá)測(cè)距原理實(shí)現(xiàn)，即以一定時(shí)間間隔連續(xù)測(cè)量目標(biāo)距離，用兩次目標(biāo)距離的差值除以時(shí)間間隔就可得知目標(biāo)的速度值，速度的方向根據(jù)距離差值的正負(fù)就可以確定。這種方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度有限，只能用于反射激光較強(qiáng)的硬目標(biāo)。另一類測(cè)速方法是利用多普勒頻移。多普勒頻移是指目標(biāo)與激光雷達(dá)之間存在相對(duì)速度時(shí)，接收回波信號(hào)的頻率與發(fā)射信號(hào)的頻率之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)頻率差，這個(gè)頻率差就是多普勒頻移。跟蹤雷達(dá)可以連續(xù)的去跟蹤一個(gè)目標(biāo)，并測(cè)量該目標(biāo)的坐標(biāo)，提供目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡。不僅用于火炮控制、導(dǎo)彈制導(dǎo)、外彈道測(cè)量、衛(wèi)星跟蹤、突防技術(shù)研究等，而且在氣象、交通、科學(xué)研究等領(lǐng)域也在日益擴(kuò)大。

激光雷達(dá)根據(jù)探測(cè)方式可以分為直接探測(cè)激光雷達(dá)與相干探測(cè)激光雷達(dá)。直接探測(cè)型激光雷達(dá)的基本結(jié)構(gòu)與激光測(cè)距機(jī)頗為相近。工作時(shí)，由發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)信號(hào)，經(jīng)目標(biāo)反射后被接收系統(tǒng)收集，通過(guò)測(cè)量激光信號(hào)往返傳播的時(shí)間而確定目標(biāo)的距離。至于目標(biāo)的徑向速度，則可以由反射光的多普勒頻移來(lái)確定，也可以測(cè)量?jī)蓚€(gè)或多個(gè)距離，并計(jì)算其變化率而求得速度。相干探測(cè)型激光雷達(dá)有單穩(wěn)與雙穩(wěn)之分，在所謂單穩(wěn)系統(tǒng)中，發(fā)送與接收信號(hào)共用一個(gè)光學(xué)孔徑，并由發(fā)送-接收開(kāi)關(guān)隔離。而雙穩(wěn)系統(tǒng)則包括兩個(gè)光學(xué)孔徑，分別供發(fā)送與接收信號(hào)使用，發(fā)送-接收開(kāi)關(guān)自然不再需要，其余部分與單穩(wěn)系統(tǒng)相同。激光雷達(dá)根據(jù)工作介質(zhì)可以分為半導(dǎo)體激光雷達(dá)、氣體激光雷達(dá)與固體激光雷達(dá)等。

半導(dǎo)體激光雷達(dá)能以高重復(fù)頻率方式連續(xù)工作，具有長(zhǎng)壽命，小體積，低成本和對(duì)人眼傷害小的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于后向散射信號(hào)比較強(qiáng)的Mie散射測(cè)量，如探測(cè)云底高度。半導(dǎo)體激光雷達(dá)的潛在應(yīng)用是測(cè)量能見(jiàn)度，獲得大氣邊界層中的氣溶膠消光廓線和識(shí)別雨雪等，易于制成機(jī)載設(shè)備。目前芬蘭Vaisala公司研制的CT25K激光測(cè)云儀是半導(dǎo)體測(cè)云激光雷達(dá)的典型代表，其云底高度的測(cè)量范圍可達(dá)7500m。氣體激光雷達(dá)以CO2激光雷達(dá)為代表，它工作在紅外波段 ，大氣傳輸衰減小，探測(cè)距離遠(yuǎn)，已經(jīng)在大氣風(fēng)場(chǎng)和環(huán)境監(jiān)測(cè)方面發(fā)揮了很大作用，但體積大，使用的中紅外 HgCdTe探測(cè)器必須在77K溫度下工作,限制了氣體激光雷達(dá)的發(fā)展。固體激光雷達(dá)峰值功率高，輸出波長(zhǎng)范圍與現(xiàn)有的光學(xué)元件與器件，輸出長(zhǎng)范圍與現(xiàn)有的光學(xué)元件與器件(如調(diào)制器、隔離器和探測(cè)器）以及大氣傳輸特性相匹配等，而且很容易實(shí)現(xiàn)主振蕩器-功率放大器（MOPA）結(jié)構(gòu)，再加上效率高、體積小、重量輕、可靠性高和穩(wěn)定性好等導(dǎo)體，固體激光雷達(dá)優(yōu)先在機(jī)載和天基系統(tǒng)中應(yīng)用。近年來(lái)，激光雷達(dá)發(fā)展的重點(diǎn)是二極管泵浦固體激光雷達(dá)。激光雷達(dá)根據(jù)線束分可以分為單線激光雷達(dá)與多線激光雷達(dá)等。

單線激光雷達(dá)主要用于規(guī)避障礙物，其掃描速度快、分辨率強(qiáng)、可靠性高。由于單線激光雷達(dá)比多線和3D激光雷達(dá)在角頻率和靈敏度反映更加快捷，所以，在測(cè)試周圍障礙物的距離和精度上都更加精 確。但是，單線雷達(dá)只能平面式掃描，不能測(cè)量物體高度，有一定局限性。當(dāng)前主要應(yīng)用于服務(wù)機(jī)器人身上，如我們常見(jiàn)的掃地機(jī)器人。多線激光雷達(dá)主要應(yīng)用于汽車的雷達(dá)成像，相比單線激光雷達(dá)在維度提升和場(chǎng)景還原上有了質(zhì)的改變，可以識(shí)別物體的高度信息。多線激光雷達(dá)常規(guī)是2.5D，而且可以做到3D。目前在國(guó)際市場(chǎng)上推出的主要有 4線、8線、16 線、32 線和 64 線。但價(jià)格高昂，大多車企不會(huì)選用。激光雷達(dá)根據(jù)掃描方式可以分為Flash型激光雷達(dá)、相控陣激光雷達(dá)、MEMS型激光雷達(dá)、機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)等。Flash型激光雷達(dá)能快速記錄整個(gè)場(chǎng)景，避免了掃描過(guò)程中目標(biāo)或激光雷達(dá)移動(dòng)帶來(lái)的各種麻煩，它運(yùn)行起來(lái)比較像攝像頭。激光束會(huì)直接向各個(gè)方向漫射，因此只要一次快閃就能照亮整個(gè)場(chǎng)景。隨后，系統(tǒng)會(huì)利用微型傳感器陣列采集不同方向反射回來(lái)的激光束。Flash LiDAR有它的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)然也存在一定的缺陷。當(dāng)像素越大，需要處理的信號(hào)就會(huì)越多，如果將海量像素塞進(jìn)光電探測(cè)器，必然會(huì)帶來(lái)各種干擾，其結(jié)果就是精度的下降。相控陣激光雷達(dá)搭載的一排發(fā)射器可以通過(guò)調(diào)整信號(hào)的相對(duì)相位來(lái)改變激光束的發(fā)射方向。

目前大多數(shù)相控陣激光雷達(dá)還在實(shí)驗(yàn)室里呆著，而現(xiàn)在仍停留在旋轉(zhuǎn)式或 MEMS 激光雷達(dá)的時(shí)代。MEMS 型激光雷達(dá)可以動(dòng)態(tài)調(diào)整自己的掃描模式，以此來(lái)聚焦特殊物體，采集更遠(yuǎn)更小物體的細(xì)節(jié)信息并對(duì)其進(jìn)行識(shí)別，這是傳統(tǒng)機(jī)械激光雷達(dá)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。MEMS整套系統(tǒng)只需一個(gè)很小的反射鏡就能引導(dǎo)固定的激光束射向不同方向。由于反射鏡很小，因此其慣性力矩并不大，可以快速移動(dòng)，速度快到可以在不到一秒時(shí)間里跟蹤到 2D 掃描模式。機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)是發(fā)展比較早的激光雷達(dá)，目前技術(shù)比較成熟，但機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，且各核心組件價(jià)格也都頗為昂貴，其中主要包括激光器、掃描器、光學(xué)組件、光電探測(cè)器、接收IC以及位置和導(dǎo)航器件等。由于硬件成本高，導(dǎo)致量產(chǎn)困難，且穩(wěn)定性也有待提升，目前固態(tài)激光雷達(dá)成為很多公司的發(fā)展方向。

激光雷達(dá)根據(jù)發(fā)射波形可以分為脈沖型激光雷達(dá)與連續(xù)型激光雷達(dá)。從激光的原理來(lái)看，連續(xù)激光就是一直有光出來(lái)，就像打開(kāi)手電筒的開(kāi)關(guān)，它的光會(huì)一直亮著（特殊情況除外）。連續(xù)激光是依靠持續(xù)亮光到待測(cè)高度，進(jìn)行某個(gè)高度下數(shù)據(jù)采集。由于連續(xù)激光的工作特點(diǎn)，某時(shí)某刻只能采集到一個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。因?yàn)轱L(fēng)數(shù)據(jù)的不確定特性，用一點(diǎn)代表某個(gè)高度的風(fēng)況，顯然有些片面。因此有些廠家折中的辦法是采取旋轉(zhuǎn)360度，在這個(gè)圓邊上面采集多點(diǎn)進(jìn)行平均評(píng)估，顯然這是一個(gè)虛擬平面中的多點(diǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的概念。脈沖激光輸出的激光是不連續(xù)的，而是一閃一閃的。脈沖激光的原理是發(fā)射幾萬(wàn)個(gè)的激光粒子，根據(jù)國(guó)際通用的多普勒原理，從這幾萬(wàn)個(gè)激光粒子的反射情況來(lái)綜合評(píng)價(jià)某個(gè)高度的風(fēng)況，這個(gè)是一個(gè)立體的概念，因此才有探測(cè)長(zhǎng)度的理論。從激光的特性來(lái)看，脈沖激光要比連續(xù)激光測(cè)量的點(diǎn)位多幾十倍，更能夠精確的反應(yīng)出某個(gè)高度風(fēng)況。

激光雷達(dá)根據(jù)載荷平臺(tái)可以分為機(jī)載激光雷達(dá)、星載激光雷達(dá)、地基激光雷達(dá)及車載激光雷達(dá)等。機(jī)載激光雷達(dá)是將激光測(cè)距設(shè)備、GNSS設(shè)備和INS等設(shè)備緊密集成，以飛行平臺(tái)為載體，通過(guò)對(duì)地面進(jìn)行掃描，記錄目標(biāo)的姿態(tài)、位置和反射強(qiáng)度等信息，獲取地表的三維信息，并深入加工得到所需空間信息的技術(shù)。在軍民用領(lǐng)域都有廣泛的潛力和前景。機(jī)載激光雷達(dá)探測(cè)距離近，激光在大氣中傳輸時(shí)，能量受大氣影響而衰減，激光雷達(dá)的作用距離在20千米以內(nèi)，尤其在惡劣氣候條件下，比如濃霧、大雨和煙、塵，作用距離會(huì)大大縮短，難以有效工作。大氣湍流也會(huì)不同程度上降低激光雷達(dá)的測(cè)量精度。星載雷達(dá)采用衛(wèi)星平臺(tái)，運(yùn)行軌道高、觀測(cè)視野廣，可以觸及世界的每一個(gè)角落。為境外地區(qū)三維控制點(diǎn)和數(shù)字地面模型的獲取提供了新的途徑，無(wú)論對(duì)于國(guó)防或是科學(xué)研究都具有十分重大意義。星載激光雷達(dá)還具有觀察整個(gè)天體的能力，美國(guó)進(jìn)行的月球和火星等探測(cè)計(jì)劃中都包含了星載激光雷達(dá)，其所提供的數(shù)據(jù)資料可用于制作天體的綜合三維地形圖。此外，星載激光雷達(dá)載植被垂直分布測(cè)量、海面高度測(cè)量、云層和氣溶膠垂直分布測(cè)量以及特殊氣候現(xiàn)象監(jiān)測(cè)等方面也可以發(fā)揮重要作用。地基激光雷達(dá)可以獲取林區(qū)的3D點(diǎn)云信息，利用點(diǎn)云信息提取單木位置和樹(shù)高，它不僅節(jié)省了人力和物力，還提高了提取的精度，具有其它遙感方式所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外該技術(shù)林業(yè)應(yīng)用的分析和對(duì)該發(fā)明研究后期的結(jié)果驗(yàn)證，未來(lái)將會(huì)在更大的研究區(qū)域利用該技術(shù)提取各種森林參數(shù)。車載激光雷達(dá)又稱車載三維激光掃描儀，是一種移動(dòng)型三維激光掃描系統(tǒng)，可以通過(guò)發(fā)射和接受激光束，分析激光遇到目標(biāo)對(duì)象后的折返時(shí)間，計(jì)算出目標(biāo)對(duì)象與車的相對(duì)距離，并利用收集的目標(biāo)對(duì)象表面大量的密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率等信息，快速?gòu)?fù)建出目標(biāo)的三維模型及各種圖件數(shù)據(jù)，建立三維點(diǎn)云圖，繪制出環(huán)境地圖，以達(dá)到環(huán)境感知的目的。車載激光雷達(dá)在自動(dòng)駕駛“造車”大潮中扮演的角色正越來(lái)越重要，諸如谷歌、百度、寶馬、博世、德?tīng)柛５绕髽I(yè)，都在其自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中使用了激光雷達(dá)，帶動(dòng)車載激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)迅速擴(kuò)大。激光雷達(dá)對(duì)于自動(dòng)駕駛技術(shù)非常重要，也將決定自動(dòng)駕駛技術(shù)何時(shí)落地的一大關(guān)鍵因素。

雖然激光雷達(dá)已經(jīng)出現(xiàn)多年，但依舊未能普及，究其原因主要是：

1）激光雷達(dá)的波束極窄，在空間搜索目標(biāo)非常困難，直接影響對(duì)非合作目標(biāo)的截獲概率和探測(cè)效率,只能在較小的范圍內(nèi)搜索、捕獲目標(biāo)，因而激光雷達(dá)較少單獨(dú)直接應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)和搜索。

2）激光一般在晴朗的天氣里衰減較小，傳播距離較遠(yuǎn)。而在大雨、濃煙、濃霧等壞天氣里，衰減急劇加大，傳播距離大受影響。

3）激光雷達(dá)成本較高，而且體積較大，這也是影響特斯拉采用純視覺(jué)方案的一大原因。目前，激光雷達(dá)的技術(shù)還有很大的提升空間，無(wú)論是造車新勢(shì)力，還是傳統(tǒng)主機(jī)廠，亦或是互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，都在開(kāi)始布局自動(dòng)駕駛，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前已至少有20家車企和自動(dòng)駕駛公司宣布將激光雷達(dá)作為感知套件的一部分，進(jìn)而量產(chǎn)L3級(jí)以上自動(dòng)駕駛技術(shù)。可以說(shuō)，激光雷達(dá)現(xiàn)已成為智能汽車實(shí)現(xiàn)高級(jí)別自動(dòng)駕駛的標(biāo)準(zhǔn)配置。希望能在自動(dòng)駕駛這條賽道上獲得主動(dòng)權(quán)，但自動(dòng)駕駛汽車并不是將硬件軟件堆積在一起的一個(gè)產(chǎn)物，需要將整車做到有效信息共享與融合。攝像頭，毫米波雷達(dá)，超聲波雷達(dá)，激光雷達(dá)，作為目前自動(dòng)駕駛領(lǐng)域最為常用的4種自動(dòng)駕駛傳感器方案，其在探測(cè)距離、分辨率、角分辨率等探測(cè)參數(shù)各異，對(duì)應(yīng)于物體探測(cè)能力、識(shí)別分類能力、三維建模、抗惡劣天氣等特性各有優(yōu)劣。隨著技術(shù)的發(fā)展，激光雷達(dá)技術(shù)也將獲得提升，自動(dòng)駕駛技術(shù)也將更快得以商業(yè)化。對(duì)于激光雷達(dá)，歡迎留言討論。