自動(dòng)駕駛的眼睛 細(xì)述單線激光雷達(dá)的作用

　　激光雷達(dá)的定義

　　激光雷達(dá)最早的定義是 LIDAR，英文為 Light Deteation and Ranging，中文意思是「光的探測和測距」。

　　其實(shí)更準(zhǔn)確的一個(gè)定義是 LADAR：LAser Detection and Ranging，即「激光的探測和測距」。這是在 2004 年提出的定義，更符合激光雷達(dá)的概念。

　　激光雷達(dá)實(shí)際上是一種工作在光學(xué)波段（特殊波段）的雷達(dá)，它的優(yōu)點(diǎn)非常明顯：

　　1、具有極高的分辨率：激光雷達(dá)工作于光學(xué)波段，頻率比微波高2～3個(gè)數(shù)量級以上，因此，與微波雷達(dá)相比，激光雷達(dá)具有極高的距離分辨率、角分辨率和速度分辨率；

　　2、抗干擾能力強(qiáng)：激光波長短，可發(fā)射發(fā)散角非常?。é蘲ad量級）的激光束，多路徑效應(yīng)?。ú粫?huì)形成定向發(fā)射，與微波或者毫米波產(chǎn)生多路徑效應(yīng)），可探測低空／超低空目標(biāo)；

　　3、獲取的信息量豐富：可直接獲取目標(biāo)的距離、角度、反射強(qiáng)度、速度等信息，生成目標(biāo)多維度圖像；

　　4、可全天時(shí)工作：激光主動(dòng)探測，不依賴于外界光照條件或目標(biāo)本身的輻射特性。它只需發(fā)射自己的激光束，通過探測發(fā)射激光束的回波信號來獲取目標(biāo)信息。

　　但是激光雷達(dá)最大的缺點(diǎn)——容易受到大氣條件以及工作環(huán)境的煙塵的影響，要實(shí)現(xiàn)全天候的工作環(huán)境是非常困難的事情。

　　激光雷達(dá)分類

　　激光雷達(dá)的分類，如果從體制上劃分，主要有直接探測激光雷達(dá)和相干探測激光雷達(dá)。實(shí)際上，目前我們提到的，包括自動(dòng)駕駛、機(jī)器人、測繪用到的激光雷達(dá)，基本上屬于這種直接探測類型的激光雷達(dá)。有比較特殊的，比如測風(fēng)、測速之類的雷達(dá)，一般會(huì)采用相干體制。

　　按應(yīng)用分類，我們可以分得更多，比如：激光測距儀、激光三維成像雷達(dá)、激光測速雷達(dá)、激光大氣探測雷達(dá)，等等。

　　不管是單線激光雷達(dá)、多線激光雷達(dá)或測繪激光雷達(dá)，我們基本上可以將其劃分到激光三維成像雷達(dá)的范疇。

　　一個(gè)激光三維成像雷達(dá)，實(shí)際上它需要得到兩個(gè)核心信息：目標(biāo)距離信息以及目標(biāo)角度信息。

　　如果我們把它的三維坐標(biāo)準(zhǔn)確定下來，我們需要得到它的距離、方位角、俯仰角信息。然后我們根據(jù)距離、方位角度、俯仰角度三個(gè)信息，將目標(biāo)的三維坐標(biāo)點(diǎn)計(jì)算出來。

　　一般而言，通過對編碼器進(jìn)行測量來獲取角度信息的技術(shù)很成熟。我們更關(guān)心的是，激光雷達(dá)的距離信息是怎么獲取的。

　　激光三維成像雷達(dá)可以通過直接測距、直接測角的技術(shù)得到目標(biāo)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并且獲得的數(shù)據(jù)本身就是三維數(shù)據(jù)，不需要通過大量運(yùn)算和處理才生成目標(biāo)三維圖像，而且激光測距有非常高的精度。

　　所以，激光三維成像雷達(dá)是目前能獲取大范圍三維場景圖像效率最高的傳感器，也是目前能獲取三維場景精度最高的傳感器。

　　激光測距方法

　　目前，我們通常能見到的測距方法，從大類上可以分為：激光飛行時(shí)間（Time of Fly，TOF）法以及三角法。

　　激光飛行時(shí)間法可以分為兩類，一類是脈沖調(diào)制（脈沖測距技術(shù)），一類是對激光連續(xù)波進(jìn)行強(qiáng)度的調(diào)制，通過相位差來測量距離信息的相位測距。

　　我們能在市面上見到的測距儀，或者說單線、多線激光雷達(dá)，基本上都是采用這三類測距方法。

　　激光脈沖測距技術(shù)

　　激光脈沖測距技術(shù)的原理非常簡單：通過測量激光脈沖在雷達(dá)和目標(biāo)之間來回飛行時(shí)間獲取目標(biāo)距離的信息。這里用了一個(gè)基準(zhǔn)，就是光的速度。所有的測量都必須有一個(gè)基準(zhǔn)，對于一束激光來說有兩個(gè)基準(zhǔn)：速度和頻率（兩個(gè)最準(zhǔn)的基準(zhǔn)），因?yàn)?TOF 用的基準(zhǔn)就是激光的飛行速度。

　　上述提到的三種測距方式，我認(rèn)為技術(shù)難點(diǎn)最大的是脈沖測距的方式。但它帶來的優(yōu)點(diǎn)非常明顯：測量速度非?？?。由于通過高峰值的激光來進(jìn)行測量，其抗強(qiáng)光的干擾能力非常強(qiáng)。

　　缺點(diǎn)是測距分辨率提升難度高，探測電路難度大。舉個(gè)例子，如果要做到相位測距 1．5 個(gè)毫米的分辨率，我們就需要把計(jì)時(shí)時(shí)鐘分辨率做到 10 個(gè)皮秒，也就相當(dāng)于 100G 帶寬，這是一個(gè)非常難的技術(shù)。

　　激光相位測距

　　激光相位測距，比如說常見的手持式激光測距儀，采用的就是相位測距的方式來實(shí)現(xiàn)。它主要通過測量被強(qiáng)度調(diào)制的連續(xù)波激光信號在雷達(dá)與目標(biāo)之間來回飛行產(chǎn)生的相位差獲得距離信息。

　　這種技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)：測距分辨率非常高，目前一般市面上的相位測距儀都可以達(dá)到毫米量級分辨率。

　　缺點(diǎn)是測量速度比脈沖測距慢，畢竟我們把一個(gè)相位差測準(zhǔn)，至少要做上幾十甚至上百個(gè)周期，實(shí)際上就相當(dāng)于把它的測量時(shí)間變相拉長，那么它的測量速度相對來說比較低。此外，它的測量精度比較容易受到目標(biāo)形狀運(yùn)動(dòng)影響。如果在測量的光斑里，兩個(gè)目標(biāo)一前一后，實(shí)際上它測出來的具體信息，是這兩個(gè)目標(biāo)距離的一個(gè)平均值，而不是前一個(gè)目標(biāo)信息或后一個(gè)目標(biāo)信息。

　　但在脈沖測距里，就很容易將這樣的信息分開。比如，一個(gè)激光脈沖，如果我們能夠把脈沖寬度做到 10 個(gè)納秒，那么我們就可以把一個(gè)目標(biāo)前后相距三十厘米的目標(biāo)，通過多次回波的方法將其區(qū)分出來。

　　這種方式在相位測距里就很難把它區(qū)分出來。因?yàn)樵跍y量過程中，它的時(shí)間會(huì)比較長，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)帶進(jìn)來的距離信息，把它引入到測量值里，實(shí)際上它測的是一個(gè)平均距離信息，而不是實(shí)時(shí)信息。但是激光脈沖測距，實(shí)際上是當(dāng)前位置實(shí)時(shí)的信息。

　　這也是為什么車用或機(jī)器人用的激光雷達(dá)往往會(huì)采用激光脈沖的測距技術(shù)，而不采用相位測距技術(shù)。

　　三角法測距

　　三角法測距就是通過測量激光照射點(diǎn)在相機(jī)中的成像位置獲得距離信息。三角法測距最大的有優(yōu)點(diǎn)就是技術(shù)難度低，成本也很低，在近距離測距精度也很高。比如工業(yè)用可以做到百微米測距精度。

　　但缺點(diǎn)是，它的精度會(huì)隨著距離的增加逐漸變差，基本上沒法與脈沖測距以及相位測距相比。

　　另外一點(diǎn)，因?yàn)?CMOS 相機(jī)必須要用一個(gè)連續(xù)的激光同步進(jìn)行照明，它的平均功率相對來說比較低，抗干擾能力會(huì)非常強(qiáng)，這種測距方式一般適合室內(nèi)近距離工作，而不適合在戶外強(qiáng)光背景或者室內(nèi)強(qiáng)光背景下工作。

　　三角法測距比較適合用于機(jī)器人等對性能要求不高的場景。

　　從上圖我們可以看出，脈沖測距除了成本和技術(shù)難度比較大以外，它在其他各方面的性能都比較優(yōu)秀。當(dāng)然，它的測距精度會(huì)比相位測距精度略低一些。但是這種精度，按目前的技術(shù)，我們基本上可以達(dá)到厘米量級，甚至是幾個(gè)毫米量級的測距精度，基本上能滿足我們多場合的使用要求。

　　我們主要的方向就是用脈沖測距的方式來做單線雷達(dá)，包括多線雷達(dá)。

　　什么是單線激光雷達(dá)

　　目前單線激光雷達(dá)產(chǎn)品，主要有 SICK 公司和 HOKUYO 公司。

　　單線激光雷達(dá)，實(shí)際上是一個(gè)高同頻脈沖激光測距儀，加上一個(gè)一維旋轉(zhuǎn)掃描。單線激光雷達(dá)的特點(diǎn)：

　　1、只有一路發(fā)射和一路接收，結(jié)構(gòu)相對簡單，使用方便；

　　2、掃描速度高、角度分辨率高；

　　3、體積、重量和功耗低；

　　4、可靠性更高；

　　5、成本低；

　　單線激光雷達(dá)能干什么？

　　在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，我們基本上看到的都是多線激光雷達(dá)，單線激光雷達(dá)到底能干什么？

　　如上圖，美國 DARPA 自動(dòng)駕駛挑戰(zhàn)賽里的參賽車，第一個(gè)是 2005 年斯坦福大學(xué)名字叫做 Stanly 的參賽車，這是當(dāng)年獲得冠軍的參賽車。另一個(gè)是卡耐基梅隆大學(xué)的參賽車。

　　當(dāng)時(shí)他們用的基本上是 SICK 公司的單線激光雷達(dá)。特別是斯坦福大學(xué)的參賽車，光是上方就裝了五個(gè)激光雷達(dá)，我們可以認(rèn)為它是多線激光雷達(dá)的“鼻祖”，只不過它是用了五個(gè)單線激光雷達(dá)來實(shí)現(xiàn)多線激光雷達(dá)的功能。

　　2007 年 Velodyne 推出 64 線激光雷達(dá)以后，很多自動(dòng)駕駛車輛基本上采用了 Velodyne 的產(chǎn)品。但這是不是就是說明，單線激光雷達(dá)在輔助或者自動(dòng)駕駛里沒有市場？

　　我認(rèn)為不是。因?yàn)閱尉€激光雷達(dá)有它的特點(diǎn)，比如說，在高重復(fù)頻率、高角度分辨率上，多線激光雷達(dá)很難達(dá)到同樣的技術(shù)指標(biāo)。

　　在行人探測、障礙物探測（小目標(biāo)探測）以及前方障礙物探測等方面上，單線激光比多線激光雷達(dá)有優(yōu)勢得多，因?yàn)閱尉€激光雷達(dá)的角分辨率可以做得比多線激光雷達(dá)高，這一點(diǎn)在探測小物體或者行人里非常有用。

　　這個(gè)技術(shù)在現(xiàn)在智能機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人上非常有用，而且目前這一塊也是比較熱的領(lǐng)域。

　　可能很多人會(huì)問一個(gè)問題，為什么要用激光雷達(dá)來做車道檢測而不用相機(jī)，ADAS 算法不是非常成熟嗎，為什么非得用激光雷達(dá)？

　　這是因?yàn)橄鄼C(jī)特別容易受到背景光或者強(qiáng)光的干擾。比如，我們在林蔭大道行走的時(shí)候，如果樹蔭落下斑斑點(diǎn)點(diǎn)的陽光，再結(jié)合白色車道線，我們非常難把車道線識別出來，而且識別概率在復(fù)雜的光照或者在強(qiáng)光照射條件下，它的識別概率非常非常低，算法也非常復(fù)雜。

　　那么，用激光雷達(dá)來做車道檢測有什么好處？第一，我們用的是紅外激光，這種激光本身在紅外波段的輻射比可見光要低得多。第二，我們會(huì)加一個(gè)非常窄的濾光片，把強(qiáng)背景光直接濾除。然后我們再用紅外光對它進(jìn)行探測。這樣我們就能獲得一張非常高質(zhì)量的車道線圖像，通過圖像的灰度，就能非常容易把車道線檢測出來。換句話說，用激光雷達(dá)來做車道線檢測，它的性能會(huì)比相機(jī)要高。

　　單線激光雷達(dá)在輔助駕駛里的應(yīng)用是行人探測，實(shí)際上這也是一個(gè)前向防碰撞的應(yīng)用，與汽車防碰撞基本類似。由于單線激光雷達(dá)的角分辨率可以做到比多線激光雷達(dá)高，可在更遠(yuǎn)的距離提前發(fā)現(xiàn)行人，為控制系統(tǒng)或駕駛員留出更多的預(yù)警時(shí)間。

　　ACC（Stop＆Go）的應(yīng)用。這個(gè)功能在目前中國城市交通擁堵的情況下特別適用，它是通過前向激光雷達(dá)直接探測到前面的汽車運(yùn)動(dòng)來獲得前車的準(zhǔn)確距離信息，然后通過控制汽車自動(dòng)進(jìn)行跟隨。