自动驾驶基础之LiDAR初解

前面的文章中我们已经介绍了几个重要的感知传感器——摄像机，毫米波雷达等。摄像机作为视觉传感器，能为无人车提供丰富的感知信息。但是由于本身感知原理的缺陷，导致摄像机的测距并不是那么准确。长远来说，激光雷达配合毫米波雷达， 再加上视觉环境感知的综合方案才能真正做到无人驾驶。因此，工程师们引入了激光传感器。这就是我们常在Level 3级别以上的无人车上看到的设备。比如通用用于研究Level 4级别自动驾驶技术的Bolts，就在车顶上顶了好多激光雷达。



如下图所示，激光雷达的发射器发射出一束激光，激光光束遇到物体后，经过漫反射，返回至激光接收器，雷达模块根据发送和接收信号的时间间隔乘以光速，再除以2，即可计算出发射器与物体的距离。



最早的激光雷达主要用于测绘，我们就从机载激光雷达的历史来了解一下激光雷达的发展历程。
激光雷达（LiDAR），最早的机载激光雷达是一种主动式对地进行三维直接观察和测量的技术，因此我们可以使用它昼夜工作。随着计算机技术、GPS和其自身技术的发展和完善，机载激光雷达最近几年受到了越来越多的重视。

LiDAR是从英文短语Light DetectionAnd Ranging中提取出来的。我们望字生意，很容易把LiDAR与雷达（RADAR）联系起来。而Light DetectionAnd Ranging与Radiowave Detection And Ranging确实是一对孪生兄弟。在雷达中，我们采用的是无线电波，而在LiDAR中，我们采用的是激光器发射的可见和近红外光波，在大气和环境研究中，也会采用其它波段的光波。因此，有时我们又将LiDAR称作激光雷达。

激光雷达的工作原理与雷达非常相近。早期的机载激光雷达由激光器发射出的脉冲激光由空中入射到地面上，打到树木上，道路上，桥梁上，房子上，引起散射。一部分光波会经过反射返回到激光雷达的接收器中。接收器通常是一个光电倍增管或一个光电二极管，它将光信号转变为电信号，记录下来。同时由所配备的计时器记录下来同一个脉冲光信号由发射到被接收的时间T。于是，就能够得到由飞机上的激光雷达到地面上的目标物的距离R为: R = C*T/2。这里C代表光速，是一个常数，即C=300,000公里/秒。

激光雷达每一个脉冲激光的最大距离分辨率（maximum rangeresolution）也可由以下公式给出：⊿R = C/2·(tL+tN+tW)。这里，tL代表激光脉冲的长度，tN代表接收器电子器件的时间常数，tW代表激光与目标物体的碰撞时间常数。对于一个Q-开关的Nd:YAG激光器，它的脉冲常数是10纳秒，接收器电子器件的时间常数stN一般是50纳秒到200纳秒，激光与目标物体的碰撞时间常数tW较小，一般忽略不计。因此，距离分辨率⊿R一般在7.5米到30米。

激光雷达的研发早在上个世纪的七十年代就开始了(Jennifer andJeff 1999)。最初，是由美国的航天航空总署NASA研究出了一种非常笨重的基于激光测量的设备。尽管它非常昂贵，也只能测量放在地面上的飞机的精确的高度。在八十年代后期，随着GPS民用技术的提高，使得GPS对位置定位的精度达到了厘米的量级。高精度的用于记录激光来回时间的计时器和高精度的惯导测量仪（InertialMeasurement Units，IMU）的相继问世，为激光雷达的商业化打下了基础。

在上个世纪的八十年代末，德国的Peter Frieβ和JoachimLindenberger在Deutsche Forschungsgemeinschaft攻读博士学位时开始了有关激光雷达技术的研究课题。在1989年，他们与Fritz Ackermann教授一起在Univ. ofStuttgart (斯图加特大学遥感学院)进行了首次相关的试验飞行。测试结果令人信服地显示出激光雷达用于地形地貌测量和制图方面的巨大的潜力和发展远景。

1992年，在获得了博士学位后，Peter Frieβ和JoachimLindenberger成立了TopScan GmbH公司，开始了商业化机载激光雷达的尝试。很快，TopScan开始了与位于加拿大多伦多市的Optech公司的合作，并且在1993年联合进行了样机的试飞和测试。1995年，由Optech公司与TopScan共同推出了ALTM1020激光雷达，并在1997年对其性能进行了全面的提高，激光发生的频率由200赫兹提高到5000赫兹，飞行高度也达到了1000米。与此同时，德国的TopSys也开发出了基于光纤激光器的激光雷达，Falcon I。从1995年到2003年的八年间，Optech共销售了15台ALTM1020和 ALTM 1225 激光雷达(ChristianWeaver, and Joachim Lindenberger)。而TopSys除了自己使用外，一共向外卖出了两台Falcon I 和 Falcon II。期间，TopScan也转向了向用户提供激光雷达服务的主业。Optech公司在2004年和2006年又分别推出了能够发射在1000米的高度发射100,000赫兹的ALTM3100 和具备在接近2000米的高度时发射100,000赫兹的ALTMGemini。

在1997年的时候，针对已有激光雷达的不足之处，成立于1956年的专门从事制图和GIS服务的Azimuth也进入了这个新兴的行业，并且在技术方面进行了一些提高，于1999年向市场推出了AeroSensor激光雷达(Kevin P.Corbley)。Azimuth公司位于美国马萨诸塞州，由于公司规模小，她采取了积极开放的态度，与美国科罗拉多州的EnerQuest合作，由EnerQuest推出RAMS激光雷达，在1999年先后卖给了日本和澳大利亚的客户。同时，EnerQuest公司在Robert Kletzli的带领下，首先研发出了配备数码相机的RAMS激光雷达，并且用于2000年的悉尼奥运会。2001年的5月，莱卡公司通过收购Azimuth公司，开始进入此领域，并将AeroSensor改名为ALS40。当时，莱卡公司已经向市场引进了推进扫描式的数码相机ADS40，藉希望于把ADS40与ALS40结合起来使用。由于Azimuth规模小，刚成立不久，所以在被收购前，一共只卖了若干台，其中还包括RAMS系统。莱卡公司在2003年推出了ALS50，2006年初升级为ALS50-II。为了提高激光点的密度，莱卡公司在2006年十月的INTERGEO大会上，又推出了一项新技术: MultiplePulses in Air (MPiA)。它使得激光雷达不需要等待是否收到了上一个信号后才发出下一个新信号，因此信号接收器能够从同一个激光脉冲信号周期里接收到多于一个以上的信号，因而在激光器不变的情况下，在更高的高度上可接收到更多的激光点。

在上个世纪的九十年代初，一个瑞典的公司Saab接收了瑞典国防部的合同，研究用于追踪潜艇的激光雷达系统。在1994年和1995年，Saab公司分别向瑞典海军和瑞典海岸线管理局两套HAWK Eye激光雷达系统。HAWK Eye激光雷达系统也是世界上个用于水下探测的激光雷达系统。在2002年，Saab公司把生产HAWK Eye激光雷达系统的技术转让给由三个前雇员成立的AHAB公司。2005年6月，Blom公司收购了AHAB。在2005年，AHAB公司向市场推出了HAWK Eye II系统，客户包括挪威的Blom公司和皇家海岸线测绘公司。HAWK Eye II系统采用了两个激光器，一个是用于水下探测的采用532纳米波长的激光器，激光接收频率为4000赫兹；另一个是用于海岸线测量的近红外激光器，激光接收频率为64000赫兹。飞行高度为200米到400米之间。一般使用直升飞机作为载体。

这里我们要提到一个在激光雷达发展史上另一个重要的公司：Riegl。Riegl公司位于奥地利首都维也纳东北角80公里的一个叫Horn（号角）的小镇。她是由维也纳技术大学的Riegl教授于1975年创立的，起初专门生产固体二极管激光器及激光测距仪。从1996年开始，向市场推出了可用于机载、车载和船载的一系列二维激光扫描仪：LMS-Q140,LMS-Q140i, LMS-Q160, LMS-Q120, LMS-Q240, LMS-Q240i, LMS-Q280, LMS-Q280i,LMS-Q560。射程涵盖近距离2米-100米、低空（2米-400米）、中低空（30-700米）和中高空（30米-2000米）。

我们知道，Optech和莱卡的激光雷达由于问世较早，为了追求飞行的高度而采用了大功率的对于人和动物眼睛会有伤害的激光器。当在中低空飞行时，为了减少伤害，采用了降低功率输出、增大光斑尺寸等措施，因而直接造成了空间分辨率的下降。这里我们要指出的是，所有的Riegl激光扫描仪均使用对人和动物眼睛安全的激光器，因此无论是低空飞行还是2000米的中高空飞行，均不需要对激光的输出做任何的调整，保持了测量的高精度。我们高兴的看到，Optech公司已经在其用于地面的三维激光雷达系统中改用对人和动物眼睛安全的激光器，因此，随着激光器研究的进一步发展，全面采用对人和动物眼睛安全激光器的机载激光雷达已经为时不远。

由于种类繁多，性价比高，在欧洲和北美的许多地方得到了广泛的应用，尤其是电力、公路，铁路、林业、矿山、城市规划、海岸线、考古等领域。许多公司、大学和研究单位以及政府部门纷纷使用Riegl的二维激光扫描仪来自己组装激光雷达。其中，Riegl公司于2004年推出的LMS-Q560是世界上第一款商业化的能够进行数字化采集和处理激光全波形的二维激光扫描仪。虽然每一个激光脉冲都是一个周期为2π的正弦波，但是由于技术的限制，过去只能将接收到的正弦波信号提取为几个分立的信号，放弃了许许多多的细节。能够进行数字化全波形的采集、记录和处理的LMS-Q560使得我们能够更多地看到物体表面的细节、粗糙度和变化。诸如房顶和房沿，江河岸边等断点线，茂密植被覆盖下的地区的地形地貌在过去一直是令人头痛的事情，因为采用时间-飞行原理（TOF， Time Of Flight）的激光雷达很难通过空隙成功地入射到地面上，同时，即使最先进的滤波几何学在面对如此的激光点云进行分类时，也经常出错。然而，采用数字化记录全波形的方法已经证明，即使茂密植被漏出百分之几的空隙，通过所获取的全波形反射波，我们也能够得到在激光脚印的区域内垂直方向结构和地面形貌的详细细节。它是机载激光雷达发展史上的一个里程碑。

Riegl公司最新推出的CP560激光雷达，不仅能够飞超低空（30米），而且能够飞2000米的高度，激光的最大发射频率为240,000赫兹，可接收到的激光点达到了160,000/秒。配备双激光器的BP560激光.雷达，激光的最大发射频率达到了400,000赫兹。另外，基于Riegl的激光扫描仪和自己的飞行管理和导航系统，德国的IGI开发出了LiteMapper 2800 和 LiteMapper 5600激光雷达，德国的iMAR研发并向智利出口了AIRSURV-LS1000(RieglLMS-Q560)。TopSys研发了基于美国天宝公司的导航系统的Harrrier 24 (基于Riegl LMS-Q240)和Harrier 56 (基于Riegl LMS-Q560)。

目前市场上的激光雷达的激光发射的最大频率范围为10,000赫兹—240,000赫兹。均为Riegl公司所生产。Optech公司和莱卡公司的激光器的最大发射频率分别是160,000赫兹和150,000赫兹。TopSys的是125,000赫兹。在2008 ISPRS 会议上，徕卡公司推出了新的ALS60系统，其激光器的最大发射频率为200,000赫兹。另外，Riegl公司也在2008 INTERGEO会议上推出新的激光雷达系统。
莱卡和Optech公司采用的是大功率的波长为1064纳米的安全等级为IV级（I级是最安全的，II级以上越来越不安全）的Nd-YAG激光器。当低空飞行时，就必须增大激光的光斑，并且采用强度衰减器来降低输出激光的强度。而Riegl公司和TopSys公司采用的是对人和动物眼睛安全的波长为1550纳米的近红外激光器。因此无论是低空飞行还是中高空飞行都不需要增大激光的光斑和衰减激光的强度。