摘要：本文對激光雷達的基本原理、特點(diǎn)、技術(shù)現狀、分類(lèi)和應用情況等進(jìn)行了概述。特別針對其在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的應用情況進(jìn)行了詳細分析，對車(chē)載激光雷達的應用、技術(shù)、產(chǎn)業(yè)鏈和主要的生產(chǎn)企業(yè)以及未來(lái)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了論述。

關(guān)鍵詞：激光雷達；自動(dòng)駕駛

Abstract: This paper gives an overview of the basic principles, characteristics, technical status, classification and application of Lidar. In particular, we analyze Lidar's application in the field of automatic driving, and discuss Lidar's application, technology, industrial chain, major manufacturing enterprises and future development trends of automotive Lidar.

Key words: Lidar; Automatic driving

1　引言

激光雷達是一項主動(dòng)式的現代光學(xué)測量技術(shù)，將傳統雷達技術(shù)與激光技術(shù)相結合形成的新技術(shù)。由于激光具有高亮度性、高方向性、高單色性和高相干性等特點(diǎn)，因此激光雷達具有一系列獨特的優(yōu)點(diǎn):角分辨率高、距離分辨率高、速度分辨率高、測速范圍廣、能獲得目標的多種圖像、抗干擾能力強。

激光雷達是以激光作為信息載體，可以用振幅、相位、頻率和偏振來(lái)搭載信息的雷達技術(shù)，它不僅能夠精確測距，也能夠精確測速、精確跟蹤。繼微波雷達之后，激光雷達把輻射源的頻率提高到光頻段，比毫米波高出兩到四個(gè)數量級，這使之能夠探測微小自然目標，包括大氣中的微小顆粒。同時(shí)激光雷達的體積和重量都比微波雷達小，應用更加靈活方便。它是 通過(guò)對遠距離目標的散射光特性探測來(lái)獲取目標相關(guān)信息的光學(xué)測量技術(shù)。隨著(zhù)超短脈沖激光技術(shù)、高靈敏度的信號探測和高速數據采集系統的發(fā)展和應用，激光雷達以它的高測量精度、精細的時(shí)間和空間分辨率以及大的探測跨度已經(jīng)成為一種重要的物聯(lián)網(wǎng)檢測技術(shù)。

2　激光雷達原理

激光雷達工作時(shí)，首先由發(fā)射機發(fā)射一束特定功率的激光束，經(jīng)過(guò)空氣傳輸輻射到目標表面上，反射的回波由接收裝置接收，再對回波信號進(jìn)行處理，提取有用信息。通過(guò)測量反射、散射回波信號的時(shí)間間隔、頻率變化、波束所指方向等就可以確定目標的距離、方位和速度等信息，然后結合激光器本身的位置信息和姿態(tài)角度信息，準確計算出目標表面回波點(diǎn)的三維坐標。若激光束不斷地掃描目標物，就可以得到目標物上全部目標點(diǎn)的數據，用此數據進(jìn)行成像處理后，就可得到精確的三維立體圖像。至于目標的徑向速度，可以由反射光的多普勒頻移來(lái)確定。激光雷達探測原理如圖1所示，系統框圖如圖2所示。

圖1 激光雷達飛行時(shí)間法測距原理

圖2 典型的激光雷達系統框圖

激光雷達在一些關(guān)鍵技術(shù)指標上遠遠超越了其他遙感探測技術(shù)，使其在很多領(lǐng)域得以廣泛應用。具體包括：

（1）數據密度大

激光波束窄，探測次數多，因而采集數據量更大。每秒可測量數十萬(wàn)個(gè)點(diǎn)，對真實(shí)物體表面(如地面)的還原和建模帶來(lái)極大方便。同時(shí)，可調節點(diǎn)采集間隔，大大提高了適用性和工作效率。

（2）數據精度高

由于激光波長(cháng)短、頻率高，可以使激光雷達達到極高的測量精度。高精度測量激光雷達測量精度可達毫米以下，機載激光雷達測量精度也可達厘米級。

（3）植被穿透能力強

激光在植被中傳播時(shí)，可以在樹(shù)冠、樹(shù)枝、地面等多個(gè)高程發(fā)生反射，從而得到多次回波數，這是其他雷達所不具備的優(yōu)勢。特別是得到的地面回波數據，有效克服了植被影響，使精確探測地面真實(shí)地形成為可能。

（4）不受太陽(yáng)高度角和陰影影響

激光雷達為主動(dòng)測量式雷達，不依賴(lài)自然光，因而與傳統方式相比，其獲取數據的精度不受時(shí)間、太陽(yáng)高度角和地物陰影的限制和影響，可以二十四小時(shí)全地形作業(yè)。

（5）隱蔽性好、抗干擾能力強

激光傳播方向性好、波束窄，只在傳播路徑上存在，難以發(fā)現和截獲。同時(shí)，激光雷達口徑小，且定向接收，只接收指向區域回波，接收干擾信號的概率極低。

（6）體積小、重量輕、作業(yè)效率高

激光雷達發(fā)射口徑只有幾厘米，重量小的可以單人手持使用，相較其他雷達設備要輕便、靈巧得多，不但可以大量節約人力、物力資源，而且可以使工作變得更加簡(jiǎn)單快捷，可應用的領(lǐng)域也更廣。

3　激光雷達的發(fā)展歷史

20世紀30年代，EH Synge提出了激光雷達的理論開(kāi)始，在過(guò)去的近一百年里，激光雷達得到飛速發(fā)展，如圖3所示。

圖3 激光雷達發(fā)展史

激光雷達的技術(shù)也發(fā)生了巨大進(jìn)步，光源、成像方式和檢測技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了激光雷達從第一代已經(jīng)發(fā)展到第四代，具體的技術(shù)細節如表1所示。

表1 激光雷達技術(shù)發(fā)展情況一覽表

4　激光雷達分類(lèi)和應用

激光雷達是激光、大氣光學(xué)、雷達、光機電一體化和電算等技術(shù)相結合的產(chǎn)物，幾乎涉及了物理學(xué)的各領(lǐng)域。目前激光雷達種類(lèi)繁多，可以按照所用激光器、功能用途、運載平臺及探測技術(shù)進(jìn)行分類(lèi)。

對于不同的用途激光雷達所選擇的激光器不同，大多數的激光雷達使用的是氣體或固體脈沖激光器，也有部分使用氣體連續激光器。目前激光雷達中常用的激光器有CO 2激光器(9.2-11.2μm)，Er: YAG激光器（2μm）、拉曼頻移Raman-shifted Nd:YA激光器（1.54μm），Nd:YAG激光器(1.06μm)， GaAIAs半導體激光器（0.8-0.904μm），HeNe激光器（0. 63μm）、倍頻Nd : YAG激光器（0.53μm）等。

從實(shí)際工程和應用角度來(lái)說(shuō)，激光雷達的分類(lèi)方式繁多：

·按照激光波段來(lái)分，有紫外激光雷達、可見(jiàn)激光雷達和紅外激光雷達等。

·按照激光器的工作介質(zhì)分，有固體激光雷達、氣體激光雷達、半導體激光雷達、二極管泵浦固體激光雷達等。

·按照激光發(fā)射波形分，有脈沖激光雷達、連續調制激光雷達等。

·按功能用途來(lái)分，有激光測距雷達、激光測速雷達、激光測角和跟蹤雷達、激光成像雷達、大氣探測激光雷達和生物激光雷達等。

·按照激光雷達的載荷平臺可分為便攜式激光雷達、地基激光雷達、車(chē)載激光雷達、機載激光雷達、船載激光雷達、星載激光雷達和彈載激光雷達等，不同的激光雷達測距范圍也不相同，如圖4所示。

圖4 不同激光雷達的測距范圍

·按照激光雷達探測技術(shù)的不同，可以分為直接探測激光雷達和相干探測激光雷達兩種類(lèi)型。

·按照體制來(lái)分，有多普勒激光雷達、合成孔徑成像激光雷達、差分吸收激光雷達、相控陣激光雷達等。

鑒于激光雷達能全天時(shí)對地觀(guān)測，受地面背景、天空背景干擾小，并具有高分辨率和高靈敏度，激光雷達可以廣泛應用在環(huán)境監測、海洋探測、森林調查、地形測繪、深空探測、軍事應用等方面，如圖5所示。近年來(lái)，由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應用，激光雷達在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的應用成為了新的熱點(diǎn)。

圖5 激光雷達應用領(lǐng)域一覽

5　自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的應用

激光雷達在民用領(lǐng)域主要集中在一些智能設備上，如AGV小車(chē)、掃地機器人和自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，如表2所示。

表2 激光雷達在民用領(lǐng)域的應用

自動(dòng)駕駛成為當前汽車(chē)產(chǎn)業(yè)乃至整個(gè)科技行業(yè)中最受關(guān)注的技術(shù)之一；自動(dòng)駕駛技術(shù)也已經(jīng)從瘋狂的科幻創(chuàng )意變成了汽車(chē)行業(yè)的未來(lái)。不出意外，自動(dòng)駕駛技術(shù)將會(huì )廣泛出現在我們的生活之中，但美好的前景下也依然有著(zhù)現實(shí)的困難。為汽車(chē)提供3D視覺(jué)功能的激光雷達是解決自動(dòng)駕駛困難的關(guān)鍵技術(shù)。過(guò)去兩年里，超過(guò)8億美元被投入到激光雷達公司。盡管很多公司的創(chuàng )業(yè)時(shí)間很短，但是卻完成了數千萬(wàn)美元的融資。據麥姆斯咨詢(xún)介紹，成立于2016年Blackmore最近從寶馬（BMW）和豐田（Toyota）獲得了1800萬(wàn)美元資金。而2012年成立的Quanergy于2017年完成了1.8億美元的融資。這些投融資事件說(shuō)明汽車(chē)激光雷達技術(shù)還不成熟。初創(chuàng )企業(yè)、工業(yè)廠(chǎng)商、汽車(chē)一級供應商和汽車(chē)OEM廠(chǎng)商都在采用不同的方式進(jìn)行投資布局，但是成功與否還不得而知。預計全球汽車(chē)激光雷達市場(chǎng)將在2023年達到50億美元，到2032年將達到280億美元。

毫無(wú)疑問(wèn)，汽車(chē)激光雷達目前正在迅速發(fā)展，但是存在替代方案。特斯拉（Tesla）宣布其不會(huì )將激光雷達應用于自動(dòng)駕駛，而中國圖森公司正在開(kāi)發(fā)沒(méi)有激光雷達的自動(dòng)駕駛卡車(chē)。此外，最近發(fā)布的凱迪拉克超級巡航系統主要依賴(lài)于地圖。在技術(shù)方面，由于激光束的偏轉，汽車(chē)激光雷達獲得成像能力。視覺(jué)處理和人工智能正在幫助激光雷達更好地檢測和分類(lèi)目標物體，從而理解三維空間。另外，紅外攝像頭也可以滿(mǎn)足夜視應用。所有這些技術(shù)都以驚人的速度提升，為激光雷達廠(chǎng)商創(chuàng )造了一個(gè)競爭激烈的空間。因此，確定哪種技術(shù)將最終“統治”自動(dòng)駕駛汽車(chē)，還為時(shí)尚早。但是，我們相信各種傳感器之間的冗余性和互補性是汽車(chē)自動(dòng)駕駛必須考慮的。

5.1　車(chē)載激光雷達的技術(shù)分析

激光雷達是自動(dòng)駕駛汽車(chē)中最強大的傳感器之一。與雷達原理相似，激光雷達使用的技術(shù)是飛行時(shí)間法。具體而言，就是根據激光遇到障礙物后的折返時(shí)間，計算目標與自己的相對距離。激光光束可以準確測量視場(chǎng)中物體輪廓邊沿與設備間的相對距離，這些輪廓信息組成所謂的點(diǎn)云并繪制出三維環(huán)境地圖，精度可達到厘米級別。它可以區分真實(shí)移動(dòng)中的行人和人物海報、在三維立體的空間中建模、檢測靜態(tài)物體、精確測距。谷歌自動(dòng)駕駛公司W(wǎng)aymo在汽車(chē)上使用的激光雷達及傳感器布局圖如圖6所示。

圖6 谷歌自動(dòng)駕駛汽車(chē)激光雷達及傳感器布局

車(chē)載激光雷達按有無(wú)機械旋轉部件分類(lèi)，包括機械激光雷達和固態(tài)激光雷達。機械激光雷達帶有控制激光發(fā)射角度的旋轉部件，而固態(tài)激光雷達則依靠電子部件來(lái)控制激光發(fā)射角度，無(wú)需機械旋轉部件。

機械激光雷達由光電二極管、MEMS反射鏡、激光發(fā)射接受裝置等組成，其中機械旋轉部件是指圖7中可360°控制激光發(fā)射角度的MEMS發(fā)射鏡。

圖7 機械激光雷達

固態(tài)激光雷達與機械雷達不同，它通過(guò)光學(xué)相控陣列、光子集成電路以及遠場(chǎng)輻射方向圖等電子部件代替機械旋轉部件實(shí)現發(fā)射激光角度的調整。固態(tài)激光雷達常見(jiàn)的技術(shù)實(shí)現方式有三類(lèi)：微機電（MEMS）、相控陣（OPA）和泛光面陣式（3D Flash）。泛光面陣式激光雷達是目前全固態(tài)激光雷達中最主流的技術(shù)。成像系統向外發(fā)射光源，發(fā)射出的光源到達物體表面后，一部分反射回圖像上的像素點(diǎn)。而由于物體表面到返回點(diǎn)的距離不同，其反射光飛行時(shí)間不同，通過(guò)對光飛行時(shí)間的測量，每個(gè)象素就可獲得獨立的距離信息，其探測范圍可達到百米以上。攝像頭可以實(shí)現百萬(wàn)像素級別的分辨率快速三維成像。

由于內部結構有所差別，兩種激光雷達的體積大小也不盡相同。機械激光雷達體積較大、價(jià)格昂貴、測量精度相對較高，一般置于汽車(chē)外部。固態(tài)激光雷達尺寸較小、性?xún)r(jià)比較高、測量精度相對低一些，但可隱藏于汽車(chē)車(chē)體內，不會(huì )破壞外形美觀(guān)，另外，裝配調試可以實(shí)現自動(dòng)化，量產(chǎn)成本與量產(chǎn)時(shí)間可期待，因此，固態(tài)雷達被認為是未來(lái)的主要方向。激光雷達技術(shù)的對比如表3所示。

表3 車(chē)載激光雷達技術(shù)現狀對比

根據線(xiàn)束數量的多少，激光雷達又可分為單線(xiàn)束激光雷達與多線(xiàn)束激光雷達。顧名思義，單線(xiàn)束激光雷達掃描一次只產(chǎn)生一條掃描線(xiàn)， 其所獲得的數據為2D數據，因此無(wú)法區別有關(guān)目標物體的3D信息。不過(guò)， 由于單線(xiàn)束激光雷達具有測量速度快、數據處理量少等特點(diǎn)，多被應用于安全防護、地形測繪等領(lǐng)域。

多線(xiàn)束激光雷達掃描一次可產(chǎn)生多條掃描線(xiàn)，目前市場(chǎng)上多線(xiàn)束產(chǎn)品包括4線(xiàn)束、8線(xiàn)束、16線(xiàn)束、32線(xiàn)束、64線(xiàn)束等，其細分可分為2.5D激光雷達及3D激光雷達。2.5D激光雷達與3D激光雷達最大的區別在于激光雷達垂直視野的范圍，前者垂直視野范圍一般不超過(guò)10°，而后者可達到30°甚至40°以上，這也就導致兩者對于激光雷達在汽車(chē)上的安裝位置要求有所不同。

5.2　車(chē)載激光雷達的產(chǎn)業(yè)鏈

激光雷達上下游產(chǎn)業(yè)鏈如圖8所示。

圖8 激光雷達的上下游產(chǎn)業(yè)鏈

激光雷達系統復雜，涉及的核心元器件眾多，如光電探測器、激光器、準直鏡頭、掃描鏡、數模轉換器等。核心元器件目前主要是國外廠(chǎng)商壟斷，國內很少有企業(yè)有能力自主量產(chǎn)。核心元器件廠(chǎng)商如表4所示。

表4 激光雷達核心元器件生產(chǎn)廠(chǎng)商

5.3　車(chē)載激光雷達的現狀和未來(lái)發(fā)展趨勢

車(chē)載雷達分為長(cháng)距離、中距離和短距離三類(lèi)，如表5所示。目前，激光雷達廠(chǎng)商普遍使用830~940納米波長(cháng)（中短距離激光雷達），車(chē)載激光雷達可適用不同等級的自動(dòng)駕駛系統，需要符合安全規定（例如：緊急自動(dòng)制動(dòng)、前向碰撞），特別是在全自動(dòng)駕駛汽車(chē)上，需要能夠探測10%低反射率的物體，為了保障行車(chē)安全，部分廠(chǎng)商（如Blackmore、neptec、Aeye、Luminar）已開(kāi)展在1550納米波長(cháng)的技術(shù)研發(fā)，這種波長(cháng)允許在遠距離范圍內對暗物體發(fā)出更高功率的脈沖，能夠使快速行駛的車(chē)輛及時(shí)發(fā)現危險并安全停車(chē)。

表5 車(chē)載激光雷達的技術(shù)應用

全球激光雷達主流廠(chǎng)商仍然以外企為主，國內比較有影響力的激光雷達生產(chǎn)企業(yè)有速騰聚創(chuàng )、北醒光子、鐳神智能、北科天繪、禾賽科技、光珀智能等，如表6所示。

表6 全球激光雷達主流廠(chǎng)商

目前車(chē)載激光雷達處于起步階段，行業(yè)呈現多技術(shù)路線(xiàn)并存的狀態(tài)，隨著(zhù)時(shí)間的推移，基于MEMS的掃描激光雷達最早將在2020年開(kāi)始部署，而純固態(tài)激光雷達技術(shù)的成熟也將成為MEMS技術(shù)的一大挑戰，制造工藝、分辨率、成本也成為了每種技術(shù)成功的關(guān)鍵，發(fā)射極類(lèi)型、探測技術(shù)以及光束轉向技術(shù)都是行業(yè)技術(shù)的難點(diǎn)，圖9是車(chē)載激光雷達的技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖。

圖9 車(chē)載激光雷達技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖

6　結語(yǔ)

進(jìn)入5G時(shí)代，萬(wàn)物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代即將到來(lái)，激光雷達技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)架構的底層技術(shù)必將得到廣泛應用，市場(chǎng)前景十分可觀(guān)，特別是在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域將從試驗階段逐步過(guò)渡到實(shí)用階段，相應的技術(shù)也將得到進(jìn)一步的完善和發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：

朱常興（1979-），男，黑龍江大慶人，高級工程師，博士，現就職于北京和利康源醫療科技有限公司，從事醫療儀器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究。

摘自《自動(dòng)化博覽》2019年12月刊