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[科普]激光雷達(dá)LIDAR工作原理

2019-09-10 14:07:27·  來源：辣筆小星 公眾號  
　
最近Velodyne挑起的激光雷達(dá)LiDAR專利之戰(zhàn)成為了業(yè)界熱點(diǎn)?？梢哉f在嚴(yán)苛的自動駕駛系統(tǒng)中激光雷達(dá)成為一種不可替代的傳感器。今天讓我們詳細(xì)聊聊激光雷達(dá)LIDAR是
最近Velodyne挑起的激光雷達(dá)LiDAR專利之戰(zhàn)成為了業(yè)界熱點(diǎn)?？梢哉f在嚴(yán)苛的自動駕駛系統(tǒng)中激光雷達(dá)成為一種不可替代的傳感器。今天讓我們詳細(xì)聊聊激光雷達(dá)LIDAR是怎么回事。
什么是激光雷達(dá)LIDAR
激光雷達(dá)LiDAR的全稱為Light Detection and Ranging激光探測和測距，又稱光學(xué)雷達(dá)。
激光雷達(dá)的工作原理：對人畜無害的紅外光束Light Pluses發(fā)射、反射和接收來探測物體。能探測的對象：白天或黑夜下的特定物體與車之間的距離。甚至由于反射度的不同，車道線和路面也是可以區(qū)分開來的。哪些物體無法探測：光束無法探測到被遮擋的物體。
↑激光雷達(dá)LiDAR示意圖
車用激光雷達(dá)工作原理就是蝙蝠測距用的回波時(shí)間（Time of Flight，縮寫為TOF）測量方法。但要知道光速是每秒30萬公里。要區(qū)分目標(biāo)厘米級別的精確距離，那對傳輸時(shí)間測量分辨率必須做到1納秒。要如此精確的測量時(shí)間，因此對應(yīng)的測量系統(tǒng)的成本就很難降到很低，需要使用巧妙的方法降低測量難度。
是不是覺得很高深難懂？我們直接看動畫吧。
↑激光雷達(dá)LiDAR工作原理
通過旋轉(zhuǎn)的機(jī)械鏡面測量激光發(fā)出和收到回波的時(shí)間差，從而確定目標(biāo)的方位和距離。由于激光雷達(dá)主動發(fā)射激光，因此受環(huán)境光變化的影響小，測距精確。
什么是激光雷達(dá)LIDAR的技術(shù)關(guān)鍵
↑典型激光雷達(dá)LiDAR系統(tǒng)組成
典型激光雷達(dá)LiDAR系統(tǒng)組成括激光發(fā)射光源、接收器、伺服電機(jī)、斜面鏡和光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器（又稱圓光柵）。
↑激光雷達(dá)LiDAR關(guān)鍵部件
激光雷達(dá)LiDAR關(guān)鍵部件按照信號處理的信號鏈包括控制硬件DSP（數(shù)字信號處理器）、激光驅(qū)動、激光發(fā)射發(fā)光二極管、發(fā)射光學(xué)鏡頭、接收光學(xué)鏡頭、APD（雪崩光學(xué)二極管）、TIA（可變跨導(dǎo)放大器）和探測器。其中除了發(fā)射和接收光學(xué)鏡頭外，都是電子部件。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速演進(jìn)，性能逐步提升的同時(shí)成本迅速降低。但是光學(xué)組件和旋轉(zhuǎn)機(jī)械則占具了激光雷達(dá)的大部分成本。
激光雷達(dá)LIDAR的應(yīng)用挑戰(zhàn)
a. 繞不開的基礎(chǔ)專利
↑Velodyne激光雷達(dá)LiDAR基礎(chǔ)專利
第一大挑戰(zhàn)就是繞不開的Velodyne基礎(chǔ)專利。此次專利大戰(zhàn)的主角Velodyne可以說是美國政府通過自動駕駛挑戰(zhàn)賽一手扶植起來的業(yè)界老大。2007年Velodyne申請的基礎(chǔ)專利US7969558囊括了幾乎所有高精度激光雷達(dá)所需的基礎(chǔ)技術(shù)。其實(shí)并不是針對國內(nèi)的禾賽和速騰聚創(chuàng)，國外的谷歌Waymo和Uber都被拉進(jìn)了專利之爭。而禾賽目前已經(jīng)在北美是僅次于Velodyne的激光雷達(dá)供應(yīng)商。而速騰聚創(chuàng)則是國內(nèi)出貨量最高的激光雷達(dá)企業(yè)。可謂樹大招風(fēng)。
 
↑Velodyne激光雷達(dá)LiDAR基礎(chǔ)專利細(xì)節(jié)
該基礎(chǔ)專利不僅包括了主流的基于伺服電機(jī)機(jī)械旋轉(zhuǎn)光學(xué)組件，而且包括了之前提到的特殊信號處理原理。通過精確的激光發(fā)射時(shí)長控制，來將對回波時(shí)間的測量轉(zhuǎn)化成單位時(shí)間進(jìn)光量的測量。從而在提高精度的同時(shí)降低設(shè)計(jì)難度。
b. 居高不下的成本
最早由谷歌提出的自動駕駛汽車基于置于車頂?shù)?60度機(jī)械旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)。它的性能非常好，但是相應(yīng)的也具有成本過高（幾千美元級別），體積大、外部可見等劣勢。
因此激光雷達(dá)成本問題亟待解決，固態(tài)化成為大勢所趨。
 
激光雷達(dá)LIDAR市場應(yīng)用如何
 
1. Velodyne激光雷達(dá)汽車應(yīng)用
Velodyne激光雷達(dá)廣泛應(yīng)用于自動駕駛的測試車型中。最早谷歌提出的自動駕駛汽車就是基于置于車頂?shù)臋C(jī)械旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的。它其實(shí)就是來自Velodyne公司的64波束激光雷達(dá)。而這款產(chǎn)品當(dāng)初價(jià)格驚人的超過了7萬美金。如圖，從左至右分別為Velodyne的64波束、32波束以及16波束激光雷達(dá)產(chǎn)品。
 
2. 法雷奧SCALA激光掃描傳感器汽車應(yīng)用
奧迪是目前唯一量產(chǎn)L3級別自動駕駛車型的整車廠。為了應(yīng)對激光雷達(dá)量產(chǎn)的挑戰(zhàn)，奧迪找到了一種更小巧的激光掃描傳感器方案。全新奧迪A8保險(xiǎn)杠處的一個(gè)圓弧狀傳感器是小型化激光掃描傳感器。在外形不需旋轉(zhuǎn)的前提下可以達(dá)到145度的水平視角，80米遠(yuǎn)的探測距離。其激光二極管每秒可發(fā)射近10萬次紅外線脈沖，控制系統(tǒng)會根據(jù)紅外線脈沖的反射情況計(jì)算出前方物體的詳細(xì)輪廓。
激光雷達(dá)LIDAR未來發(fā)展方向
↑激光雷達(dá)LiDAR未來發(fā)展方向
未來通過半導(dǎo)體技術(shù)代替原來的機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件和光學(xué)組件將是業(yè)界主流。在繞開基礎(chǔ)專利的同時(shí)可以大幅降低激光雷達(dá)的成本。其中高性能長距離激光雷達(dá)將專注于基于半導(dǎo)體的微機(jī)械鏡頭控制激光發(fā)射光束的掃描。而中距離低成本方案則朝向固態(tài)Flash激光雷達(dá)的方向發(fā)展。接收部分為半導(dǎo)體光學(xué)探測陣列。通過類似攝像頭的接收點(diǎn)整，在采集圖像的同時(shí)記錄目標(biāo)的距離信息。
綜上所述，激光雷達(dá)技術(shù)正隨著自動駕駛的興起引起廣泛關(guān)注。但是繞不開的基礎(chǔ)專利和居高不下的成本帶來諸多挑戰(zhàn)仍急需解決。無疑半導(dǎo)體技術(shù)將推動激光雷達(dá)快速發(fā)展。讓我們拭目以待吧。
 
 
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