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自动驾驶基础--车载LiDAR的关键技术及分类

2018-11-22 23:19:02·  来源：模拟世界  
　
激光雷达并非是近几年才出现的新兴产品。早在上世纪六十年代，美国加利福尼亚州休斯航空公司实验室的研究员西奥多梅曼等人就研制成功世界上第一台激光雷达，激光
激光雷达并非是近几年才出现的新兴产品。早在上世纪六十年代，美国加利福尼亚州休斯航空公司实验室的研究员西奥多·梅曼等人就研制成功世界上第一台激光雷达，激光作为一种全新的测量工具开始受到极大的关注。前文介绍过，激光雷达（LiDAR）最早的应用是机载测绘。其最早走入公众视野，则是在1971年阿波罗执行15号任务期间宇航员采用一种LiDAR设备——激光高度计来绘制月球表面图。由此，LiDAR的精准度和用处得到了证明。九十年代，以激光雷达三位扫描仪为代表的激光雷达真正实现商业化，从此进入一个高速发展期。50多年过去，LiDAR技术从最简单的激光测距技术开始，逐步发展出激光跟踪、激光扫描成像、激光多普勒成像等技术，同时，LiDAR应用领域也逐渐拓展。到了2005年，美国国防部高级研究计划署（DARPA）举办了一场无人驾驶挑战赛，激光雷达首次亮相与无人驾驶技术。很多人从这次比赛中开始认识激光雷达。LiDAR作为无人驾驶的核心部件，随着无人驾驶技术的发展和无人驾驶汽车的正式上路，汽车行业将成为LiDAR市场增长的主要贡献者。
 
雷达（RADAR - Radio detection and ranging）是无线电探测和测距， 即发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标的距离、速度、方位、高度等信息。传统的雷达是以微波作为载波的雷达，大约出现在1935年；按雷达频段分，可分为超视距雷达、微波雷达、毫米波雷达以及激光雷达等。
激光雷达是一种通过发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。激光波段位于0.5μm-10μm，以光电探测器为接收器件。激光雷达英文名称为LiDAR(Light Detection and Ranging)，也称Laser Radar或LADAR (Laser Detection and Ranging)。
激光雷达因为激光波长短，准直性高，使得激光雷达性能优异：角分辨率和距离分辨率高、抗干扰能力强、能获得目标多种图像信息(深度、反射率等)、体积小、质量轻。
 
激光雷达是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。它的基本原理是：向被测目标发射探测信号（激光束），然后测量反射或散射信号的到达时间、强弱程度等参数，以确定目标的距离、方位、 运动状态及表面光学特性。LiDAR的工作原理：飞行时间法（ToF），就是根据激光遇到障碍物后的折返时间，计算目标与自己的相对距离。激光光束可以准确测量视场中物体轮廓边沿与设备间的相对距离，这些轮廓信息组成所谓的点云并绘制出3D环境地图，精度可达到厘米级别。下图是直接飞行时间技术和间接飞行时间技术的简单示意图。
LiDAR能探测的对象：白天或黑夜下的特定物体与车之间的距离，甚至连车道线和路面也是可以区分开来的。众所周知，毫米波雷达技术已经在许多具有先进驾驶辅助系统（ADAS）的量产车上装配使用。但是为了进一步提高汽车的环境感测精度和运行可靠性，或者说在严苛的无人驾驶系统中，LiDAR将成为一种不可替代的传感器。
激光雷达系统由四大基本单元构成：
•    发射单元：激光器、发射光学系统;
•    接收单元：接受光学系统、光学滤光装置、光电探测器;
•    控制单元：控制器、逻辑电路;
•    信号处理单元：信号处理、数字校准与输出 ;
下图总结了评价一个激光雷达的重要的技术指标。
激光雷达融合了激光、大气光学、雷达、光机电一体化和信号处理等诸多领域技术。下图总结了激光雷达需要突破的关键技术。
LiDAR的分类方式有很多种。前面我们已经介绍了按激光雷达扫描线束数量的多少来分类，LiDAR可分为单线束LiDAR与多线束LiDAR。顾名思义，单线束LiDAR扫描一次只产生一条扫描线，其所获得的数据为2D数据，因此无法区别有关目标物体的3D信息。多线束LiDAR扫描一次可产生多条扫描线，目前市场上多线束产品包括4线束、8线束、16线束、32线束、64线束等，其细分可分为2.5D LiDAR及3D LiDAR。2.5D LiDAR与3DLiDAR最大的区别在于LiDAR垂直视野的范围，前者垂直视野范围一般不超过10°，而后者可达到30°甚至40°以上。
今天我们按照激光雷达有无机械旋转部件来分类，包括普通的机械式旋转LiDAR、混合固态LiDAR、不旋转全固态LiDAR。
可能大家对这种分类有点疑惑，难道LiDAR还跟水的三态一样，分固态、液态和气态不成？当然不是！如果您对硬盘的机械式、混合固态、固态早有耳闻，那么理解LiDAR的三种技术流派就没那么费力了！LiDAR的固态主要跟激光发射装置是否存在机械旋转部件有关，固态LiDAR中是没有机械旋转部件的，取而代之的是电子部件来实现发射激光束的转动。
机械LiDAR通过不断旋转发射头，将速度更快、发射更准的激光束从“线”变成“面”，并在竖直方向上排布多束激光（即32或64线雷达），形成多个面，达到动态3D扫描的目的。但其有“大、重、贵”的缺点，确实让人难以接受。对于量产的无人驾驶汽车来说，机械旋转LiDAR是不可接受的，只有固态激光雷达，无论从成本， 尺寸，还是实车安装方式， 都可以满足量产化的要求。
下图中最大个的是Velodyne公司第一代机械LiDAR：HDL-64E，也就是谷歌无人驾驶汽车上面安装在车顶的“全家桶”。
在2016年1月的美国CES消费电子展上，Velodyne发布了其第一款汽车专用的3D LiDAR——混合固态超级冰球（Solid-StateHybrid Ultra Puck Auto），这款产品为32线束LiDAR，体积小巧、便于汽车安装携带，同时价格低廉，性价比较高。
所谓混合固态LiDAR，是外形上不存在可见的旋转部件，但是为了360全视角其内部实际上仍然存在一些机械旋转部件，只是这套机械旋转部件做的非常小巧可以内藏而已，如采用微机电(MEMS)技术制作的MEMS扫描镜。为了将这样的产品概念和传统“固态”概念区分开来，因此引入了“混合固态”的称呼。
全球领先的固态LiDAR传感器和智能传感解决方案提供商Quanergy Systems提供的S3是全球首款汽车级固态LiDAR系统。通过发射器、接收器和信号处理器三个主要组件的交互，S3每秒生成五十万个数据点。激光器在水平120°内发射平行光脉冲，光接收器探测反射光脉冲。信号处理器计算每个光脉冲的飞行时间。通过在各个方向扫描，S3在车辆周围创建出实时3D视图，以检测、分类和跟踪场景中的对象。
所谓固态，指无论是宏观还是微观尺度上都没有可动部件或振动部件，保证了最高水平的性能、可靠性、寿命和成本效益。这也是未来的LiDAR技术趋势！
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