激光雷达的探测范围是越越好吗？

撰文 / 朱 琳
编辑 / 钱亚光
设计 / 师瑜超
来源 / Forbes，作者：Sabbir Rangwala


激光雷达之战正在升温。这并不奇怪，因为在过去6个月里有6家公司上市，通过SPAC（特殊目的收购公司）合并成为激光雷达界的独角兽。

数十亿美元的估值，报告季度亏损的压力，以及提高股价的需要，基本上导致了一场激光雷达的探测范围之战。具体来说，指的是激光雷达能“看到”和识别多远的汽车、行人、动物、障碍区、道路碎片等。

出于人眼安全的考虑限制了8XX-9XX纳米的激光雷达，使之比14XX-15XX纳米激光雷达的范围更小。后者可以使用更高的激光功率，因为人类的角膜会吸收这个波长的光，从而限制对视网膜的损伤。

更高的波长是昂贵的（相对于8XX-9XX纳米的系统来说是2-3倍）。以这些波长操作的公司需要证明更高成本的激光雷达是合理的，而测距性能似乎是目前的一个重要论据。

普林斯顿光波公司和Luminar公司率先宣布并展示了他们的15XX纳米激光雷达，对于汽车的探测范围在200-300米。

Luminar公司生产的激光雷达▼


Aeva最近宣布，他们的15XX纳米调频连续波（FMCW）激光雷达可以在500米处探测汽车，在350米处探测行人。在此之前，Aeye宣传说探测汽车的范围是1000米。

Argo也不甘示弱，最近宣布其在>1400纳米波长下工作的盖革模式激光雷达的探测范围为400米（Argo在2017年收购了普林斯顿光波公司）。

Argo声称，其激光雷达可以在夜间检测到反射率为1%的汽车（夜间的说法具有迷惑性，因为对于盖革模式来说，更具挑战性的情况是在明亮的阳光下）。目前还不清楚在明亮的阳光下，1%反射率的物体是否可以达到400米的范围（这将是相当具有突破性的！），以及在这些条件下，除了检测之外，物体识别是否也可以实现。

激光雷达传感器使用激光脉冲来渲染汽车周围环境的精确图像▼


激光雷达的探测距离对L4自动驾驶汽车很重要，但规格方面存在细微差别。对于安全至关重要的障碍物规避，自动驾驶汽车感知引擎需要在足够的时间内识别道路危险，以便进行安全操作，如刹车以避开轮胎碎片。

重要的是特定物体反射率的范围（10%似乎是一个合理的标准）和危险识别的高置信水平（> 99%，否则，误报率将非常高，导致不断刹车，导致乘客不适和投诉）。

值得注意的是，检测（“那里有东西，但我们不知道它是什么”）和识别（“那里是一辆抛锚的汽车或一个行人”）之间是有区别的。人们常常给出的是与检测相关的范围数字，这通常是不可行的。识别是一个更困难的问题，它依赖于分辨率和实时图像处理的准确性。

自动驾驶汽车利用传感器、感知引擎和人工智能来实施五种基本控制动作：刹车、转向、加速、减速或停车。到目前为止，最关键的、对时间/安全敏感的动作是在出现障碍时刹车。

刹车距离（将速度降至零所需的距离）是初始车速和安全/舒适的减速（通常为0.3g或约3m/s²）的函数。所需的感知范围是车辆速度和延迟时间的函数。

延迟时间是指获取原始传感器数据和应用安全动作（在本例中是刹车）之间的时间间隔，因为在此期间车辆仍在继续移动，因此延迟时间会影响所需的感知范围。较高的延迟时间要求较低的车速或较高的范围。图1显示了这三个量之间的关系。

图1：避障所需感知范围（0.3g制动）▼


多大的范围是足够的，承诺更高的范围有什么影响？在不久的将来（5-10年），L4车辆在高速公路上的运行速度不可能超过96-112公里/时。在这些速度下，大约200-250米的范围似乎是足够的。

重型卡车在制动时需要更低的减速水平、更高的范围。然而，较低的速度（88-96公里/时）确保200-250米的范围是足够的。

天气是另一个需要考虑的因素——恶劣天气下的减速水平较低，但车辆速度也较低，这使得200-250米的范围成为一个合理的操作目标。

获得更高的目标识别范围是昂贵的，因为需要消耗更多的激光雷达资源（激光功率、更灵敏的探测、更高的功耗等）。

有一些争论是关于提高极限的，比如增加安全边际和特定的用例（例如，糟糕的道路、恶劣的天气等）。但是使用这个性能指标的缺点是，在对象分辨率等其他参数方面有所妥协，如图2所示。

图2：随着范围的增加，目标分辨率下降▼


对象分辨率决定了识别的置信度，这对自动驾驶汽车的感知和控制行动至关重要。检测和识别轮胎碎片或一块砖头（通常为15厘米）通常需要8厘米的分辨率（至少需要2个像素来识别，3个像素则是理想的）。

将范围从200米翻倍到400米，需要将角分辨率从0.5 mrad提高到0.25 mrad，使原始数据量和计算带宽增加2倍。这导致了更高的光学和计算成本。它还会增加了延迟时间，需要更高的感知范围或降低车速（见图1）。希望图3能更清楚地阐述这种循环性。

图3：范围-分辨率-速率难题：1）高速和延迟需要更高的范围，2）需要更高的分辨率，3）更高的分辨率导致更高的数据速率以及，4）较低的帧速率，从而产生，5）更高的延迟和，6）更低的速度▼

承诺越来越高的探测范围并不是卓越激光雷达的秘诀。需要考虑使用情况和相互关联的系统规格，如分辨率、帧率和延迟。

必须澄清的是实现更远范围的确切条件和定义（反射率、置信度、延迟、照明条件、角分辨率等），并且需要明确说明在这个范围内实现的感知功能（检测、识别、鉴别）。

随着激光雷达成为关键的安全传感器，它们需要在普遍接受的标准和规格方面成熟起来。