漫談自動(dòng)駕駛激光雷達和新型探測技術(shù)

說(shuō)到“雷達”，小伙伴們的腦海里大概立馬能蹦出戰爭片中“報告長(cháng)官，雷達上發(fā)現敵艦靠近！”這樣的對白。這里所謂的“雷達”（Radar）一般是指利用電磁波探測目標的電子設備，全稱(chēng)是Radio DetecTIon and Ranging，無(wú)線(xiàn)電探測和測距，很多人也叫它“無(wú)線(xiàn)電定位”。

不過(guò)，接下來(lái)我們要介紹的并不知道我們熟悉的這個(gè)“雷達”概念，而是利用光來(lái)進(jìn)行探測和定位的手段——“激光雷達”。

什么是激光雷達？

如今，“激光雷達”已不是什么陌生的概念了，特別是隨著(zhù)自動(dòng)駕駛的熱潮，它也備受矚目。

自動(dòng)駕駛

激光雷達實(shí)際上是一種工作在光學(xué)波段（近紅外）的雷達，最早對它的定義是LIDAR，即 Light DetecTIon and Ranging。不過(guò)，更準確的應該是“LADAR”這種叫法，即Laser DetecTIon and Ranging，激光探測和測距。

特點(diǎn)

與同樣在汽車(chē)中有著(zhù)一定應用的微波雷達相比，工作在光學(xué)波段的激光雷達其頻率比微波高2-3個(gè)數量級以上，有著(zhù)更高的距離分辨率、角分辨率和速度分辨率。因此，激光雷達在測量過(guò)程中可帶來(lái)距離、角度、反射強度、速度等更豐富的信息，憑借這些數據便可生成目標多維度的圖像，協(xié)助我們或系統對探測目標擁有更詳細的認知。

另外，由于激光波長(cháng)短，能發(fā)射發(fā)散角非常?。?mu;rad量級）的激光束，多路徑效應小，即不會(huì )形成定向發(fā)射，與微波或者毫米波產(chǎn)生多路徑效應，抗干擾能力強，可實(shí)現低空、超低空目標的探測。而激光主動(dòng)探測擁有不依賴(lài)于外界光照條件或目標本身輻射的特性，只需通過(guò)探測自身發(fā)射的激光束的回波信號來(lái)獲取目標信息，所以還可實(shí)現全天候的工作。不過(guò)，激光雷達易受大氣條件以及工作環(huán)境的煙塵影響，要實(shí)現全天候的工作環(huán)境在目前來(lái)講還是最困難的事情。

原理

實(shí)際上，激光雷達技術(shù)的前提是激光測距技術(shù)。我們通常能見(jiàn)到的測距方法，從大類(lèi)上可以分為：激光飛行時(shí)間（TIme of Flight，TOF）法和三角法。簡(jiǎn)單來(lái)講，它們分別適用于長(cháng)距離測距和短距離測距。

TOF測距原理示意

而TOF法又可分為：

a）脈沖調制（脈沖測距技術(shù)），利用被測目標對光信號的漫反射來(lái)測距；

b）相位調制，對激光連續波進(jìn)行強度的調制，通過(guò)相位差來(lái)測量距離信息。

而激光雷達對不同方法的選擇主要取決于它的種類(lèi)和實(shí)際應用。

分類(lèi)

激光雷達也分很多類(lèi)別。從調制出發(fā)，目前主要有直接探測激光雷達和相干探測激光雷達?，F在常見(jiàn)的，包括自動(dòng)駕駛、機器人、測繪所用的，基本上屬于直接探測激光雷達。比較特殊的，比如測風(fēng)、測速之類(lèi)的雷達，則一般采用的是相干調制。

直接探測類(lèi)型的激光雷達應用

中國海洋大學(xué)研發(fā)的車(chē)載多普勒測風(fēng)激光雷達

圖片來(lái)源：qingdaonews.com

如果從應用出發(fā)，那分類(lèi)就較多了，比如激光測距儀、激光三維成像雷達、激光測速雷達、激光大氣探測雷達等等。其中，激光三維成像雷達就包含了我們熟知的激光測繪，以及自動(dòng)駕駛中的單線(xiàn)激光雷達和多線(xiàn)激光雷達。

自動(dòng)駕駛中激光雷達是什么樣子？

正如上文提到的，在目前的自動(dòng)駕駛中，有單線(xiàn)激光雷達和多線(xiàn)激光雷達之分。由于在應用中需要很高的采樣頻率，在近距離和遠距離測量中則分別用到三角測距法和脈沖測距法。

其中，單線(xiàn)激光雷達主要通過(guò)一個(gè)高重頻脈沖激光測距儀，加上一個(gè)一維旋轉掃描來(lái)實(shí)現測量。而它的角分辨率可高于多線(xiàn)激光雷達，所以在行人探測、障礙物探測（小目標探測）以及前方障礙物探測等方面上，比多線(xiàn)激光雷達具有更多優(yōu)勢。多線(xiàn)方案目前也主要為多路單線(xiàn)集合而成，因而還受到體積和光路的限制。

“長(cháng)”在自動(dòng)駕駛汽車(chē)頭上的激光雷達系統

圖片來(lái)源：souhu.com

這里可能有人會(huì )問(wèn)了：“除了避障，為什么還要用激光雷達來(lái)做車(chē)道檢測，而不直接使用相機？ADAS 算法不已非常成熟了嗎？”

原因很簡(jiǎn)單，相機特別容易受到背景光或者強光的干擾。比如，行駛在林蔭大道時(shí)，樹(shù)蔭落下斑斑點(diǎn)點(diǎn)的陽(yáng)光，再結合白色車(chē)道線(xiàn)，相機就很難辨識，而識別概率的低下則將造成算法的復雜化。

相機：哪位小仙女闊以告訴我，車(chē)道線(xiàn)在WHERE？！

ADAS算法：……

那么，用激光雷達來(lái)做車(chē)道檢測又有什么好處呢？

首先，激光雷達用的是紅外激光，這種激光本身在紅外波段的輻射比可見(jiàn)光要低得多。再者，應用中會(huì )利用一個(gè)非常窄的濾光片，直接將強背景光濾除，然后再用紅外光進(jìn)行探測。這樣我們就能獲得一張超高質(zhì)量的車(chē)道線(xiàn)圖像，通過(guò)圖像的灰度，就能輕松的把車(chē)道線(xiàn)檢測出來(lái)?？傮w來(lái)說(shuō)，用激光雷達做車(chē)道線(xiàn)檢測，性能會(huì )比相機更優(yōu)。

相機、雷達和激光雷達的比較

圖片來(lái)源：toutiao.com

激光雷達和一個(gè)了不起的新伙伴

針對單線(xiàn)和多線(xiàn)激光雷達，高速、高增益且在近紅外波段高靈敏度的單點(diǎn)探測器APD（雪崩二極管）是目前探測端的首選。該器件的探測帶寬普遍在百MHz左右，且在高壓工作時(shí)有幾十倍的增益，能夠大幅增強光電信號。然而，在百米量級的探測中，APD所能達到的增益效果仍然不能滿(mǎn)足需求。

于是，自動(dòng)駕駛激光雷達急需一個(gè)全新小伙伴的出現。這個(gè)小伙伴需要擁有更大的增益，且工作在近紅外光范圍。

Wanted?。。。▓D）

不過(guò)，隨著(zhù)MPPC的誕生，自動(dòng)駕駛激光雷達也看到了新的曙光。

MPPC是一種俗稱(chēng)硅光電倍增管（Silicon Photomultiplier，SiPM）的新型光半導體器件，根據其原理可稱(chēng)多像素光子計數器（Multi-Pixel Photon Counter，MPPC）。其由多個(gè)工作在蓋革模式的APD陣列組成，具有高增益、高探測效率、快速響應、優(yōu)良時(shí)間分辨率和寬光譜響應范圍等特點(diǎn)。

當MPPC中的一個(gè)像素接收到一個(gè)入射光子時(shí)，就會(huì )輸出一個(gè)幅度一定的脈沖，如圖顯示，多個(gè)像素如都接收到入射光子，則每個(gè)像素都會(huì )輸出一個(gè)脈沖，這幾個(gè)脈沖最終會(huì )疊加在一起，由一個(gè)公共輸出端輸出，以此達到更大的增益。

相比APD，MPPC的增益可達到105-106，這樣在理論上，可以在更短的時(shí)間內得到更長(cháng)的距離信息，探測帶寬也與APD不相上下。另外，擁有小有效面積、更多像素結構的MPPC不僅具備較快的時(shí)間特性（上升時(shí)間僅1ns左右），還可利用它獨特的光子分辨能力，將不同表面反射率的物體識別出來(lái)，從而達到測距同時(shí)分辨物體表面特性的目的。從這些性能上來(lái)看，MPPC非常適合脈沖測距法的應用，是自動(dòng)駕駛上一維激光雷達的理想小伙伴。

MPPC、APD和PIN光電二極管的比較

除了高性能以外，想真正成為激光雷達的伙伴，應用的MPPC器件還必須工作在近紅外光范圍內，然而這并不是一件容易的事。

一方面，MPPC一般都是P-on-N的半導體結構，而近紅外需要N-on-P的半導體結構；另外更重要的一點(diǎn)，就是硅基材料要做到近紅外波段是非常困難的，再加上各方面的工藝問(wèn)題，如今研制成功且實(shí)現可量產(chǎn)的案例少之又少。

然而，隨著(zhù)2017年初美國西部光電展（Photonics West）的開(kāi)幕，一則關(guān)于近紅外MPPC的好消息傳來(lái)了！

濱松公司發(fā)布了最新的近紅外MPPC研制成果，推出了紅外增強型MPPC S13720-1325系列。其在905nm處具有較高的探測效率，響應速度快，工作溫度范圍寬，適合各種場(chǎng)合下的激光雷達應用，尤其是使用TOF測距法的長(cháng)距離測量?，F在，也已正式向全球市場(chǎng)開(kāi)放供應。

濱松近紅外MPPC S13720-1325系列

自動(dòng)駕駛如今是一個(gè)炙手可熱的話(huà)題，但是，真正將熱點(diǎn)變?yōu)榇蟊娙粘Ｉ畹囊徊糠?，行業(yè)中的創(chuàng )造者們可能還有一段曲折的路要走。其中，激光雷達作為自動(dòng)駕駛核心技術(shù)之一，也是他們必經(jīng)的挑戰。

而濱松對近紅外MPPC技術(shù)的攻克，意味著(zhù)的不僅只是一次半導體技術(shù)的突破，還是一次自動(dòng)駕駛激光雷達技術(shù)大步跨躍的可能。讓我們寄期待于這位新伙伴，為自動(dòng)駕駛帶來(lái)更好的未來(lái)吧！