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摘要：本文對(duì)激光雷達(dá)的基本原理、特點(diǎn)、技術(shù)現(xiàn)狀、分類和應(yīng)用情況等進(jìn)行了概述。特別針對(duì)其在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的應(yīng)用情況進(jìn)行了詳細(xì)分析，對(duì)車載激光雷達(dá)的應(yīng)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(shì)進(jìn)行了論述。

關(guān)鍵詞：激光雷達(dá)；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(dá)是一項(xiàng)主動(dòng)式的現(xiàn)代光學(xué)測(cè)量技術(shù)，將傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)與激光技術(shù)相結(jié)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(dá)具有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):角分辨率高、距離分辨率高、速度分辨率高、測(cè)速范圍廣、能獲得目標(biāo)的多種圖像、抗干擾能力強(qiáng)。

激光雷達(dá)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(dá)技術(shù)，它不僅能夠精確測(cè)距，也能夠精確測(cè)速、精確跟蹤。繼微波雷達(dá)之后，激光雷達(dá)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(shù)量級(jí)，這使之能夠探測(cè)微小自然目標(biāo)，包括大氣中的微小顆粒。同時(shí)激光雷達(dá)的體積和重量都比微波雷達(dá)小，應(yīng)用更加靈活方便。它是 通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)的散射光特性探測(cè)來(lái)獲取目標(biāo)相關(guān)信息的光學(xué)測(cè)量技術(shù)。隨著超短脈沖激光技術(shù)、高靈敏度的信號(hào)探測(cè)和高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用，激光雷達(dá)以它的高測(cè)量精度、精細(xì)的時(shí)間和空間分辨率以及大的探測(cè)跨度已經(jīng)成為一種重要的物聯(lián)網(wǎng)檢測(cè)技術(shù)。

2　激光雷達(dá)原理

激光雷達(dá)工作時(shí)，首先由發(fā)射機(jī)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(biāo)表面上，反射的回波由接收裝置接收，再對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理，提取有用信息。通過(guò)測(cè)量反射、散射回波信號(hào)的時(shí)間間隔、頻率變化、波束所指方向等就可以確定目標(biāo)的距離、方位和速度等信息，然后結(jié)合激光器本身的位置信息和姿態(tài)角度信息，準(zhǔn)確計(jì)算出目標(biāo)表面回波點(diǎn)的三維坐標(biāo)。若激光束不斷地掃描目標(biāo)物，就可以得到目標(biāo)物上全部目標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，用此數(shù)據(jù)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(biāo)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(dá)探測(cè)原理如圖1所示，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖1 激光雷達(dá)飛行時(shí)間法測(cè)距原理

圖2 典型的激光雷達(dá)系統(tǒng)框圖

激光雷達(dá)在一些關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了其他遙感探測(cè)技術(shù)，使其在很多領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。具體包括：

（1）數(shù)據(jù)密度大

激光波束窄，探測(cè)次數(shù)多，因而采集數(shù)據(jù)量更大。每秒可測(cè)量數(shù)十萬(wàn)個(gè)點(diǎn)，對(duì)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(diào)節(jié)點(diǎn)采集間隔，大大提高了適用性和工作效率。

（2）數(shù)據(jù)精度高

由于激光波長(zhǎng)短、頻率高，可以使激光雷達(dá)達(dá)到極高的測(cè)量精度。高精度測(cè)量激光雷達(dá)測(cè)量精度可達(dá)毫米以下，機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量精度也可達(dá)厘米級(jí)。

（3）植被穿透能力強(qiáng)

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(shù)，這是其他雷達(dá)所不具備的優(yōu)勢(shì)。特別是得到的地面回波數(shù)據(jù)，有效克服了植被影響，使精確探測(cè)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(dá)為主動(dòng)測(cè)量式雷達(dá)，不依賴自然光，因而與傳統(tǒng)方式相比，其獲取數(shù)據(jù)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(qiáng)

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(xiàn)和截獲。同時(shí)，激光雷達(dá)口徑小，且定向接收，只接收指向區(qū)域回波，接收干擾信號(hào)的概率極低。

（6）體積小、重量輕、作業(yè)效率高

激光雷達(dá)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(dá)設(shè)備要輕便、靈巧得多，不但可以大量節(jié)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(yīng)用的領(lǐng)域也更廣。

3　激光雷達(dá)的發(fā)展歷史

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

圖3 激光雷達(dá)發(fā)展史

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

表1 激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)展情況一覽表

4　激光雷達(dá)分類和應(yīng)用

激光雷達(dá)是激光、大氣光學(xué)、雷達(dá)、光機(jī)電一體化和電算等技術(shù)相結(jié)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(dá)種類繁多，可以按照所用激光器、功能用途、運(yùn)載平臺(tái)及探測(cè)技術(shù)進(jìn)行分類。

對(duì)于不同的用途激光雷達(dá)所選擇的激光器不同，大多數(shù)的激光雷達(dá)使用的是氣體或固體脈沖激光器，也有部分使用氣體連續(xù)激光器。目前激光雷達(dá)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(dǎo)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(yīng)用角度來(lái)說(shuō)，激光雷達(dá)的分類方式繁多：

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

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

·按照激光發(fā)射波形分，有脈沖激光雷達(dá)、連續(xù)調(diào)制激光雷達(dá)等。

·按功能用途來(lái)分，有激光測(cè)距雷達(dá)、激光測(cè)速雷達(dá)、激光測(cè)角和跟蹤雷達(dá)、激光成像雷達(dá)、大氣探測(cè)激光雷達(dá)和生物激光雷達(dá)等。

·按照激光雷達(dá)的載荷平臺(tái)可分為便攜式激光雷達(dá)、地基激光雷達(dá)、車載激光雷達(dá)、機(jī)載激光雷達(dá)、船載激光雷達(dá)、星載激光雷達(dá)和彈載激光雷達(dá)等，不同的激光雷達(dá)測(cè)距范圍也不相同，如圖4所示。

圖4 不同激光雷達(dá)的測(cè)距范圍

·按照激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)的不同，可以分為直接探測(cè)激光雷達(dá)和相干探測(cè)激光雷達(dá)兩種類型。

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

鑒于激光雷達(dá)能全天時(shí)對(duì)地觀測(cè)，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(dá)可以廣泛應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋探測(cè)、森林調(diào)查、地形測(cè)繪、深空探測(cè)、軍事應(yīng)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(yīng)用，激光雷達(dá)在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的應(yīng)用成為了新的熱點(diǎn)。

圖5 激光雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域一覽

5　自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的應(yīng)用

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

表2 激光雷達(dá)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用

自動(dòng)駕駛成為當(dāng)前汽車產(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(xiàn)在我們的生活之中，但美好的前景下也依然有著現(xiàn)實(shí)的困難。為汽車提供3D視覺(jué)功能的激光雷達(dá)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(dá)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(shù)千萬(wàn)美元的融資。據(jù)麥姆斯咨詢介紹，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)明汽車激光雷達(dá)技術(shù)還不成熟。初創(chuàng)企業(yè)、工業(yè)廠商、汽車一級(jí)供應(yīng)商和汽車OEM廠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(yù)計(jì)全球汽車激光雷達(dá)市場(chǎng)將在2023年達(dá)到50億美元，到2032年將達(dá)到280億美元。

毫無(wú)疑問(wèn)，汽車激光雷達(dá)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(dá)應(yīng)用于自動(dòng)駕駛，而中國(guó)圖森公司正在開(kāi)發(fā)沒(méi)有激光雷達(dá)的自動(dòng)駕駛卡車。此外，最近發(fā)布的凱迪拉克超級(jí)巡航系統(tǒng)主要依賴于地圖。在技術(shù)方面，由于激光束的偏轉(zhuǎn)，汽車激光雷達(dá)獲得成像能力。視覺(jué)處理和人工智能正在幫助激光雷達(dá)更好地檢測(cè)和分類目標(biāo)物體，從而理解三維空間。另外，紅外攝像頭也可以滿足夜視應(yīng)用。所有這些技術(shù)都以驚人的速度提升，為激光雷達(dá)廠商創(chuàng)造了一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)激烈的空間。因此，確定哪種技術(shù)將最終“統(tǒng)治”自動(dòng)駕駛汽車，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(bǔ)性是汽車自動(dòng)駕駛必須考慮的。

5.1　車載激光雷達(dá)的技術(shù)分析

激光雷達(dá)是自動(dòng)駕駛汽車中最強(qiáng)大的傳感器之一。與雷達(dá)原理相似，激光雷達(dá)使用的技術(shù)是飛行時(shí)間法。具體而言，就是根據(jù)激光遇到障礙物后的折返時(shí)間，計(jì)算目標(biāo)與自己的相對(duì)距離。激光光束可以準(zhǔn)確測(cè)量視場(chǎng)中物體輪廓邊沿與設(shè)備間的相對(duì)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(dá)到厘米級(jí)別。它可以區(qū)分真實(shí)移動(dòng)中的行人和人物海報(bào)、在三維立體的空間中建模、檢測(cè)靜態(tài)物體、精確測(cè)距。谷歌自動(dòng)駕駛公司W(wǎng)aymo在汽車上使用的激光雷達(dá)及傳感器布局圖如圖6所示。

圖6 谷歌自動(dòng)駕駛汽車激光雷達(dá)及傳感器布局

車載激光雷達(dá)按有無(wú)機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件分類，包括機(jī)械激光雷達(dá)和固態(tài)激光雷達(dá)。機(jī)械激光雷達(dá)帶有控制激光發(fā)射角度的旋轉(zhuǎn)部件，而固態(tài)激光雷達(dá)則依靠電子部件來(lái)控制激光發(fā)射角度，無(wú)需機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件。

機(jī)械激光雷達(dá)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(jī)械旋轉(zhuǎn)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(jī)械激光雷達(dá)

固態(tài)激光雷達(dá)與機(jī)械雷達(dá)不同，它通過(guò)光學(xué)相控陣列、光子集成電路以及遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖等電子部件代替機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件實(shí)現(xiàn)發(fā)射激光角度的調(diào)整。固態(tài)激光雷達(dá)常見(jiàn)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式有三類：微機(jī)電（MEMS）、相控陣（OPA）和泛光面陣式（3D Flash）。泛光面陣式激光雷達(dá)是目前全固態(tài)激光雷達(dá)中最主流的技術(shù)。成像系統(tǒng)向外發(fā)射光源，發(fā)射出的光源到達(dá)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(duì)光飛行時(shí)間的測(cè)量，每個(gè)象素就可獲得獨(dú)立的距離信息，其探測(cè)范圍可達(dá)到百米以上。攝像頭可以實(shí)現(xiàn)百萬(wàn)像素級(jí)別的分辨率快速三維成像。

由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)有所差別，兩種激光雷達(dá)的體積大小也不盡相同。機(jī)械激光雷達(dá)體積較大、價(jià)格昂貴、測(cè)量精度相對(duì)較高，一般置于汽車外部。固態(tài)激光雷達(dá)尺寸較小、性價(jià)比較高、測(cè)量精度相對(duì)低一些，但可隱藏于汽車車體內(nèi)，不會(huì)破壞外形美觀，另外，裝配調(diào)試可以實(shí)現(xiàn)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(dá)被認(rèn)為是未來(lái)的主要方向。激光雷達(dá)技術(shù)的對(duì)比如表3所示。

表3 車載激光雷達(dá)技術(shù)現(xiàn)狀對(duì)比

根據(jù)線束數(shù)量的多少，激光雷達(dá)又可分為單線束激光雷達(dá)與多線束激光雷達(dá)。顧名思義，單線束激光雷達(dá)掃描一次只產(chǎn)生一條掃描線， 其所獲得的數(shù)據(jù)為2D數(shù)據(jù)，因此無(wú)法區(qū)別有關(guān)目標(biāo)物體的3D信息。不過(guò)， 由于單線束激光雷達(dá)具有測(cè)量速度快、數(shù)據(jù)處理量少等特點(diǎn)，多被應(yīng)用于安全防護(hù)、地形測(cè)繪等領(lǐng)域。

多線束激光雷達(dá)掃描一次可產(chǎn)生多條掃描線，目前市場(chǎng)上多線束產(chǎn)品包括4線束、8線束、16線束、32線束、64線束等，其細(xì)分可分為2.5D激光雷達(dá)及3D激光雷達(dá)。2.5D激光雷達(dá)與3D激光雷達(dá)最大的區(qū)別在于激光雷達(dá)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(dá)到30°甚至40°以上，這也就導(dǎo)致兩者對(duì)于激光雷達(dá)在汽車上的安裝位置要求有所不同。

5.2　車載激光雷達(dá)的產(chǎn)業(yè)鏈

激光雷達(dá)上下游產(chǎn)業(yè)鏈如圖8所示。

圖8 激光雷達(dá)的上下游產(chǎn)業(yè)鏈

激光雷達(dá)系統(tǒng)復(fù)雜，涉及的核心元器件眾多，如光電探測(cè)器、激光器、準(zhǔn)直鏡頭、掃描鏡、數(shù)模轉(zhuǎn)換器等。核心元器件目前主要是國(guó)外廠商壟斷，國(guó)內(nèi)很少有企業(yè)有能力自主量產(chǎn)。核心元器件廠商如表4所示。

表4 激光雷達(dá)核心元器件生產(chǎn)廠商

5.3　車載激光雷達(dá)的現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

車載雷達(dá)分為長(zhǎng)距離、中距離和短距離三類，如表5所示。目前，激光雷達(dá)廠商普遍使用830~940納米波長(zhǎng)（中短距離激光雷達(dá)），車載激光雷達(dá)可適用不同等級(jí)的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，需要符合安全規(guī)定（例如：緊急自動(dòng)制動(dòng)、前向碰撞），特別是在全自動(dòng)駕駛汽車上，需要能夠探測(cè)10%低反射率的物體，為了保障行車安全，部分廠商（如Blackmore、neptec、Aeye、Luminar）已開(kāi)展在1550納米波長(zhǎng)的技術(shù)研發(fā)，這種波長(zhǎng)允許在遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)對(duì)暗物體發(fā)出更高功率的脈沖，能夠使快速行駛的車輛及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)并安全停車。

表5 車載激光雷達(dá)的技術(shù)應(yīng)用

全球激光雷達(dá)主流廠商仍然以外企為主，國(guó)內(nèi)比較有影響力的激光雷達(dá)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(dá)主流廠商

目前車載激光雷達(dá)處于起步階段，行業(yè)呈現(xiàn)多技術(shù)路線并存的狀態(tài)，隨著時(shí)間的推移，基于MEMS的掃描激光雷達(dá)最早將在2020年開(kāi)始部署，而純固態(tài)激光雷達(dá)技術(shù)的成熟也將成為MEMS技術(shù)的一大挑戰(zhàn)，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)射極類型、探測(cè)技術(shù)以及光束轉(zhuǎn)向技術(shù)都是行業(yè)技術(shù)的難點(diǎn)，圖9是車載激光雷達(dá)的技術(shù)發(fā)展路線圖。

圖9 車載激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)展路線圖

6　結(jié)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(dá)技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的底層技術(shù)必將得到廣泛應(yīng)用，市場(chǎng)前景十分可觀，特別是在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域?qū)脑囼?yàn)階段逐步過(guò)渡到實(shí)用階段，相應(yīng)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(jí)工程師，博士，現(xiàn)就職于北京和利康源醫(yī)療科技有限公司，從事醫(yī)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