自動(dòng)駕駛的眼睛 細述單線(xiàn)激光雷達的作用

　　激光雷達的定義

　　激光雷達最早的定義是 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，更符合激光雷達的概念。

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

　　1、具有極高的分辨率：激光雷達工作于光學(xué)波段，頻率比微波高2～3個(gè)數量級以上，因此，與微波雷達相比，激光雷達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：激光波長(cháng)短，可發(fā)射發(fā)散角非常?。?mu;rad量級）的激光束，多路徑效應?。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），可探測低空／超低空目標；

　　3、獲取的信息量豐富：可直接獲取目標的距離、角度、反射強度、速度等信息，生成目標多維度圖像；

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

　　但是激光雷達最大的缺點(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)現全天候的工作環(huán)境是非常困難的事情。

　　激光雷達分類(lèi)

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

　　按應用分類(lèi)，我們可以分得更多，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。

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

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

　　如果我們把它的三維坐標準確定下來(lái)，我們需要得到它的距離、方位角、俯仰角信息。然后我們根據距離、方位角度、俯仰角度三個(gè)信息，將目標的三維坐標點(diǎn)計算出來(lái)。

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

　　激光三維成像雷達可以通過(guò)直接測距、直接測角的技術(shù)得到目標的三維點(diǎn)云數據，并且獲得的數據本身就是三維數據，不需要通過(guò)大量運算和處理才生成目標三維圖像，而且激光測距有非常高的精度。

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

　　激光測距方法

　　目前，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 Fly，TOF）法以及三角法。

　　激光飛行時(shí)間法可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是脈沖調制（脈沖測距技術(shù)），一類(lèi)是對激光連續波進(jìn)行強度的調制，通過(guò)相位差來(lái)測量距離信息的相位測距。

　　我們能在市面上見(jiàn)到的測距儀，或者說(shuō)單線(xiàn)、多線(xiàn)激光雷達，基本上都是采用這三類(lèi)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(jiǎn)單：通過(guò)測量激光脈沖在雷達和目標之間來(lái)回飛行時(shí)間獲取目標距離的信息。這里用了一個(gè)基準，就是光的速度。所有的測量都必須有一個(gè)基準，對于一束激光來(lái)說(shuō)有兩個(gè)基準：速度和頻率（兩個(gè)最準的基準），因為 TOF 用的基準就是激光的飛行速度。

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

　　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，我們就需要把計時(shí)時(shí)鐘分辨率做到 10 個(gè)皮秒，也就相當于 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(shuō)常見(jiàn)的手持式激光測距儀，采用的就是相位測距的方式來(lái)實(shí)現。它主要通過(guò)測量被強度調制的連續波激光信號在雷達與目標之間來(lái)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，至少要做上幾十甚至上百個(gè)周期，實(shí)際上就相當于把它的測量時(shí)間變相拉長(cháng)，那么它的測量速度相對來(lái)說(shuō)比較低。此外，它的測量精度比較容易受到目標形狀運動(dòng)影響。如果在測量的光斑里，兩個(gè)目標一前一后，實(shí)際上它測出來(lái)的具體信息，是這兩個(gè)目標距離的一個(gè)平均值，而不是前一個(gè)目標信息或后一個(gè)目標信息。

　　但在脈沖測距里，就很容易將這樣的信息分開(kāi)。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)目標前后相距三十厘米的目標，通過(guò)多次回波的方法將其區分出來(lái)。

　　這種方式在相位測距里就很難把它區分出來(lái)。因為在測量過(guò)程中，它的時(shí)間會(huì )比較長(cháng)，目標運動(dòng)帶進(jìn)來(lái)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)際上是當前位置實(shí)時(shí)的信息。

　　這也是為什么車(chē)用或機器人用的激光雷達往往會(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(guò)測量激光照射點(diǎn)在相機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(zhù)距離的增加逐漸變差，基本上沒(méi)法與脈沖測距以及相位測距相比。

　　另外一點(diǎn)，因為 CMOS 相機必須要用一個(gè)連續的激光同步進(jìn)行照明，它的平均功率相對來(lái)說(shuō)比較低，抗干擾能力會(huì )非常強，這種測距方式一般適合室內近距離工作，而不適合在戶(hù)外強光背景或者室內強光背景下工作。

　　三角法測距比較適合用于機器人等對性能要求不高的場(chǎng)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(mǎn)足我們多場(chǎng)合的使用要求。

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

　　什么是單線(xiàn)激光雷達

　　目前單線(xiàn)激光雷達產(chǎn)品，主要有 SICK 公司和 HOKUYO 公司。

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

　　1、只有一路發(fā)射和一路接收，結構相對簡(jiǎn)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(xiàn)激光雷達能干什么？

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

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

　　當時(shí)他們用的基本上是 SICK 公司的單線(xiàn)激光雷達。特別是斯坦福大學(xué)的參賽車(chē)，光是上方就裝了五個(gè)激光雷達，我們可以認為它是多線(xiàn)激光雷達的“鼻祖”，只不過(guò)它是用了五個(gè)單線(xiàn)激光雷達來(lái)實(shí)現多線(xiàn)激光雷達的功能。

　　2007 年 Velodyne 推出 64 線(xiàn)激光雷達以后，很多自動(dòng)駕駛車(chē)輛基本上采用了 Velodyne 的產(chǎn)品。但這是不是就是說(shuō)明，單線(xiàn)激光雷達在輔助或者自動(dòng)駕駛里沒(méi)有市場(chǎng)？

　　我認為不是。因為單線(xiàn)激光雷達有它的特點(diǎn)，比如說(shuō)，在高重復頻率、高角度分辨率上，多線(xiàn)激光雷達很難達到同樣的技術(shù)指標。

　　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，單線(xiàn)激光比多線(xiàn)激光雷達有優(yōu)勢得多，因為單線(xiàn)激光雷達的角分辨率可以做得比多線(xiàn)激光雷達高，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)在現在智能機器人、服務(wù)機器人上非常有用，而且目前這一塊也是比較熱的領(lǐng)域。

　　可能很多人會(huì )問(wèn)一個(gè)問(wèn)題，為什么要用激光雷達來(lái)做車(chē)道檢測而不用相機，ADAS 算法不是非常成熟嗎，為什么非得用激光雷達？

　　這是因為相機特別容易受到背景光或者強光的干擾。比如，我們在林蔭大道行走的時(shí)候，如果樹(shù)蔭落下斑斑點(diǎn)點(diǎn)的陽(yáng)光，再結合白色車(chē)道線(xiàn)，我們非常難把車(chē)道線(xiàn)識別出來(lái)，而且識別概率在復雜的光照或者在強光照射條件下，它的識別概率非常非常低，算法也非常復雜。

　　那么，用激光雷達來(lái)做車(chē)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(jiàn)光要低得多。第二，我們會(huì )加一個(gè)非常窄的濾光片，把強背景光直接濾除。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(chē)道線(xiàn)圖像，通過(guò)圖像的灰度，就能非常容易把車(chē)道線(xiàn)檢測出來(lái)。換句話(huà)說(shuō)，用激光雷達來(lái)做車(chē)道線(xiàn)檢測，它的性能會(huì )比相機要高。

　　單線(xiàn)激光雷達在輔助駕駛里的應用是行人探測，實(shí)際上這也是一個(gè)前向防碰撞的應用，與汽車(chē)防碰撞基本類(lèi)似。由于單線(xiàn)激光雷達的角分辨率可以做到比多線(xiàn)激光雷達高，可在更遠的距離提前發(fā)現行人，為控制系統或駕駛員留出更多的預警時(shí)間。

　　ACC（Stop＆Go）的應用。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(guò)前向激光雷達直接探測到前面的汽車(chē)運動(dòng)來(lái)獲得前車(chē)的準確距離信息，然后通過(guò)控制汽車(chē)自動(dòng)進(jìn)行跟隨。