無(wú)人駕駛激光雷達(dá)LiDAR原理介紹與性能測(cè)試

一、引言

        激光雷達(dá)，英文全稱(chēng)為L(zhǎng)ight Detection And Ranging，簡(jiǎn)稱(chēng)LiDAR，即光探測(cè)與測(cè)量，是一種集激光、全球定位系統(tǒng)（GPS）和IMU（InertialMeasurement Unit，慣性測(cè)量設(shè)備）三種技術(shù)于一身的系統(tǒng)，用于獲得數(shù)據(jù)并生成精確的DEM（數(shù)字高程模型）。這三種技術(shù)的結(jié)合，可以高度準(zhǔn)確地定位激光束打在物體上的光斑，測(cè)距精度可達(dá)厘米級(jí)，激光雷達(dá)最大的優(yōu)勢(shì)就是“精準(zhǔn)”和“快速、高效作業(yè)”。它是一種用于精確獲得3D位置信息的傳感器，其在機(jī)器中的作用相當(dāng)于人類(lèi)的眼睛，能夠確定物體的位置、大小、外部形貌甚至材質(zhì)。
        無(wú)人駕駛是當(dāng)前激光雷達(dá)最熱門(mén)的應(yīng)用之一，將LiDAR應(yīng)用于自動(dòng)駕駛，要追溯到美國(guó)的DARPA （美國(guó)國(guó)防高等研究計(jì)劃署），它舉辦了多次無(wú)人駕駛汽車(chē)挑戰(zhàn)賽，在2007年的DARPA挑戰(zhàn)賽上，7支參賽隊(duì)伍中的6支都采用了Velodyne公司設(shè)計(jì)的LiDAR，最終的第一二名就出自這六只參賽隊(duì)。這引起了準(zhǔn)備研發(fā)無(wú)人駕駛車(chē)的谷歌的注意，之后谷歌組建了隊(duì)伍，最初的人員就來(lái)自這些參賽隊(duì)員。谷歌于2009年推出無(wú)人駕駛汽車(chē)項(xiàng)目，在其無(wú)人車(chē)原型中使用的就是Velodyne公司的LiDAR。
        近幾年，無(wú)人駕駛汽車(chē)市場(chǎng)發(fā)展火熱，谷歌之后，百度、Uber等主流無(wú)人駕駛汽車(chē)研發(fā)團(tuán)隊(duì)都在使用激光雷達(dá)作為傳感器之一，與圖像識(shí)別等技術(shù)搭配使用，使汽車(chē)實(shí)現(xiàn)對(duì)路況的判斷。傳統(tǒng)的汽車(chē)廠(chǎng)商也紛紛開(kāi)始研發(fā)無(wú)人駕駛汽車(chē)，包括大眾、日產(chǎn)、豐田等公司都在研發(fā)和測(cè)試無(wú)人駕駛汽車(chē)技術(shù)，他們也都采用了激光雷達(dá)。
LiDAR系統(tǒng)測(cè)量3D空間中每個(gè)像素到發(fā)射器間的距離和方向，通過(guò)傳感器創(chuàng)造出真實(shí)世界完整的3D模型。操作LiDAR系統(tǒng)的基本方法是發(fā)射一束激光，然后測(cè)量光在物體表面反射而返回來(lái)的信號(hào)。LiDAR模塊接收到反射回來(lái)的信號(hào)所需的時(shí)間提供了一種直接測(cè)量LiDAR系統(tǒng)與物體之間的距離的手段。關(guān)于物體的額外的信息，比如它的速率或材料成分，也可以通過(guò)測(cè)量反射回來(lái)的信號(hào)中的某些特性而得以確定，這些特性包括誘導(dǎo)多普勒頻移（induced Doppler shift）。最后，通過(guò)操控發(fā)射出去的光，可以測(cè)量出環(huán)境中許多不同的點(diǎn)，從而創(chuàng)建出完整的3D模型。

        
        激光雷達(dá)（LiDAR）類(lèi)似于微波雷達(dá)（Radar），但是分辨率更高，因?yàn)楣獾牟ㄩL(zhǎng)大約比無(wú)線(xiàn)電的波長(zhǎng)小10萬(wàn)倍。它可以區(qū)分真實(shí)移動(dòng)中的行人和人物海報(bào)、在3D立體的空間中建模、檢測(cè)靜態(tài)物體、精確測(cè)距。
LiDAR是通過(guò)發(fā)射激光束來(lái)探測(cè)目標(biāo)位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)，具有測(cè)量精度高、方向性好等優(yōu)點(diǎn)，具體如下：
        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(jí)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(zhǎng)短，可發(fā)射發(fā)散角非常小的激光束，多路徑效應(yīng)小，可探測(cè)低空/超低空目標(biāo)；
        3. 獲取的信息量豐富：
       激光雷達(dá)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，易于理解；
        4. 可全天時(shí)工作：
       激光雷達(dá)采用主動(dòng)探測(cè)方式，不依賴(lài)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(guò)探測(cè)發(fā)射激光束的回波信號(hào)來(lái)獲取目標(biāo)信息。但是激光雷達(dá)最大的缺點(diǎn)是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。

二、基本原理

       與微波雷達(dá)原理相似，激光雷達(dá)使用的技術(shù)是飛行時(shí)間（TOF， Time of Flight）。具體而言，就是根據(jù)激光遇到障礙物后的折返時(shí)間（round-trip delay），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3D環(huán)境地圖，精度可達(dá)到厘米級(jí)別，從而提高測(cè)量精度。        
       為了構(gòu)建3D圖像，需要光能達(dá)到可視范圍內(nèi)的所有測(cè)量點(diǎn)，在發(fā)射端，相機(jī)將通過(guò)光束控制單元調(diào)整光束的發(fā)射，來(lái)掃描對(duì)應(yīng)測(cè)試區(qū)域。在接收端，來(lái)自目標(biāo)反射的光線(xiàn)被收集起來(lái)，并且這些光對(duì)應(yīng)發(fā)射源的傳輸時(shí)間將被進(jìn)行計(jì)算，從而得到對(duì)應(yīng)測(cè)量距離。

三、性能度量

       對(duì)激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)，最重要的性能度量包括軸向測(cè)距精度，橫向測(cè)量分辨率，視角范圍，幀率，發(fā)射功率，最大測(cè)量距離，功耗，成本等。下面將針對(duì)相關(guān)性能度量作簡(jiǎn)單說(shuō)明。
      1.軸向測(cè)距精度：
      軸向測(cè)距精度一般是指針對(duì)固定距離多次測(cè)量后的標(biāo)準(zhǔn)偏差，它與測(cè)距分辨率不同，測(cè)距分辨率主要是指激光雷達(dá)對(duì)軸向上的多個(gè)目標(biāo)的區(qū)分能力。激光雷達(dá)獲取的的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行障礙物識(shí)別、動(dòng)態(tài)物體檢測(cè)及定位，如果精度太差就無(wú)法達(dá)到以上目的；不過(guò)，精度太好也有問(wèn)題，高精度對(duì)激光雷達(dá)的硬件提出很大的要求，計(jì)算量會(huì)非常大，成本也會(huì)非常高。所以精度應(yīng)該是適中就好。
      2.視場(chǎng)角及橫向測(cè)量分辨率：
      視場(chǎng)角是指LiDAR在水平和垂直方向上的視野范圍，而橫向或角分辨率是LiDAR區(qū)分在視角范圍內(nèi)相鄰兩點(diǎn)的能力。
      3.發(fā)射功率及人眼安全：
      對(duì)無(wú)人駕駛激光雷達(dá)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，具有較長(zhǎng)的探測(cè)距離是非常重要的，對(duì)應(yīng)則需要有較大的發(fā)射功率。然而，最大的發(fā)射功率會(huì)受到人眼安全規(guī)則的限制，這也是激光雷達(dá)相對(duì)微波雷達(dá)最大的設(shè)計(jì)影響因素，因?yàn)閮H僅毫瓦級(jí)的激光束就可以對(duì)人眼產(chǎn)生嚴(yán)重的傷害。
      4.最大測(cè)量距離：
      激光雷達(dá)最大的測(cè)量距離一般受限于發(fā)射功率和接收機(jī)的靈敏度。在無(wú)人駕駛汽車(chē)這個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)激光雷達(dá)的探測(cè)距離是有要求的。比如說(shuō)高速公路上要能夠檢測(cè)到前方車(chē)輛，還有在十字路口上，要能夠觀(guān)測(cè)馬路對(duì)面的汽車(chē)。

四、典型LiDAR

      從實(shí)現(xiàn)原理上來(lái)對(duì)LiDAR作個(gè)分類(lèi)，比較典型的設(shè)計(jì)方案有脈沖調(diào)制（Pulsed），調(diào)幅連續(xù)波（AMCW）和調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）。這對(duì)應(yīng)了兩種測(cè)距的方法，脈沖法和相位法。脈沖法測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量距離遠(yuǎn)，系統(tǒng)體積小，抗干擾能力強(qiáng)，但精度較低；相位法測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)是精度高，但測(cè)量距離受到一定限制，且系統(tǒng)造價(jià)高。下面分別介紹一下這三種類(lèi)型方案的原理及對(duì)比。
   
      1.脈沖調(diào)制LiDAR

     
      如圖3所示，脈沖調(diào)制型LiDAR通過(guò)測(cè)量脈沖光到目標(biāo)的往返時(shí)間來(lái)計(jì)算目標(biāo)的距離。雖然脈沖調(diào)制型LiDAR是以調(diào)制方式來(lái)命名，但是它同樣影響了接收機(jī)的設(shè)計(jì)，單光子雪崩檢測(cè)器（SPADs）的采用就是為了改善脈沖調(diào)制LiDAR的靈敏度和增強(qiáng)探測(cè)距離。
        （a）提供了一幅簡(jiǎn)明的脈沖調(diào)制LiDAR原理架構(gòu)；
        （b）說(shuō)明了LiDAR工作的時(shí)序圖；
        （c）是芯片的顯微圖；
        （d）是使用LiDAR構(gòu)建的人臉3D圖像。
   
      2.調(diào)幅連續(xù)波LiDAR      
      類(lèi)似脈沖調(diào)制LiDAR，調(diào)幅連續(xù)波LiDAR基于調(diào)制光的強(qiáng)度，不過(guò)調(diào)制的波不再包含尖銳的脈沖，技術(shù)的實(shí)現(xiàn)上有一定成本優(yōu)勢(shì)。調(diào)幅連續(xù)波LiDAR通過(guò)改變激光二極管中的極電流來(lái)調(diào)整發(fā)射光強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制。圖5中展示了一種像素級(jí)圖像獲取設(shè)計(jì)的基本電路和時(shí)序圖，并展示了其3D圖像的效果。
     
      3.調(diào)頻連續(xù)波LiDAR      
      調(diào)頻連續(xù)波LiDAR從根本上不同于脈沖調(diào)制LiDAR和調(diào)幅連續(xù)波LiDAR，調(diào)頻連續(xù)波LiDAR依靠光波特性，對(duì)光的頻率進(jìn)行調(diào)制，在接收端采用相干檢測(cè)方案，因此擁有大的頻率帶寬來(lái)提升激光雷達(dá)的性能。圖6中展示了基本的調(diào)頻連續(xù)波LiDAR的原理架構(gòu)和調(diào)制方法，光頻被針對(duì)時(shí)間軸進(jìn)行線(xiàn)性調(diào)制，然后從發(fā)射機(jī)發(fā)出，返回光中包含了相位差，延遲，多普勒頻移等信息，從而就可以得到需求的測(cè)量距離，速度等。
     
      4.三種類(lèi)型激光雷達(dá)的對(duì)比
      從圖6中可以看到三種激光雷達(dá)的測(cè)距精度及探測(cè)距離和使用范圍。脈沖調(diào)制LiDAR主要用于中長(zhǎng)距范圍，精度在1米以?xún)?nèi)；調(diào)幅連續(xù)波LiDAR則主要用于中距范圍，精度和脈沖調(diào)制LiDAR差不多；調(diào)頻連續(xù)波LiDAR則主要用于近距離測(cè)量，精度要高于其他兩種LiDAR，在1毫米以?xún)?nèi)。從對(duì)比結(jié)果可知，用于無(wú)人駕駛系統(tǒng)的激光雷達(dá)一般會(huì)采用脈沖調(diào)制方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

五、不利天氣條件下的性能驗(yàn)證

      無(wú)人駕駛車(chē)輛不僅需要在天氣晴朗的白天行駛，同樣需要在具有挑戰(zhàn)的天氣條件下行駛。兩種激光雷達(dá)在惡劣天氣條件下（霧天和雨天）的性能。雷達(dá)在幾乎所有天氣條件下都具有良好的性能，但分辨率存在問(wèn)題，而激光雷達(dá)具有良好的分辨率和遠(yuǎn)距離（>70米）探測(cè)能力。但激光雷達(dá)的性能受到了不利天氣的很大影響，在測(cè)試中，激光雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)性能出現(xiàn)了約50%的下降。其測(cè)試結(jié)果如表1所示：      
       從表中可以看到，毫米波雷達(dá)幾乎能適應(yīng)全部雨霧天氣，性能不受影響，但是激光雷達(dá)出現(xiàn)了性能下降。

六、結(jié)束語(yǔ)

      激光雷達(dá)作為無(wú)人駕駛系統(tǒng)提供物理環(huán)境數(shù)據(jù)的眾多傳感器之一，生成的數(shù)據(jù)是最容易理解的，并且它也將變得更便宜，激光雷達(dá)的成本在過(guò)去7年里下降了10倍。但是激光雷達(dá)在自動(dòng)駕駛中也存在短板。
      針對(duì)無(wú)人駕駛系統(tǒng)的需求，我們要充分發(fā)揮激光雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也要盡量補(bǔ)償它的弱項(xiàng)，那么該如何來(lái)解決呢？目前最主要的方案，是選擇搭配毫米波雷達(dá)，毫米波雷達(dá)作為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的核心傳感器類(lèi)型，從上世紀(jì)起就已在高檔汽車(chē)中使用，技術(shù)相對(duì)成熟。毫米波的波長(zhǎng)介于厘米波和光波之間，因此毫米波兼有微波制導(dǎo)和光電制導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)，且其引導(dǎo)頭具有體積小、質(zhì)量輕和空間分辨率高的特點(diǎn)。此外，毫米波導(dǎo)引頭穿透霧、煙、灰塵的能力強(qiáng)，相比于激光雷達(dá)是一大優(yōu)勢(shì)。可見(jiàn)未來(lái)的無(wú)人駕駛系統(tǒng)必然是多感知設(shè)備融合的系統(tǒng)。
   （點(diǎn)此查看中為檢驗(yàn)技術(shù)激光實(shí)驗(yàn)室）
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