1 典型傳感器介紹
車(chē)載傳感器是智能駕駛的重要組成設(shè)備，是車(chē)輛感知外界環(huán)境的關(guān)鍵所在。目前，ADAS (Advanced driver assistance system ，智能駕駛系統(tǒng)) 主要集中在激光雷達(dá)、單目相機(jī)、多目相機(jī)、毫米波雷達(dá)等方面。以Google、百度為代表的公司選擇激光雷達(dá)作為其自動(dòng)駕駛的主要傳感器，以Tesla為代表的公司考慮到激光傳感器成本因素后，選擇以毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)和Mobileye等傳感器組合使用的方案，盡量避免使用激光雷達(dá)。

1.1 激光雷達(dá)
1.1.1 雷達(dá)簡(jiǎn)介
激光雷達(dá)(英文：Lidar, Light detection and ranging) 是激光探測(cè)及測(cè)距的簡(jiǎn)稱(chēng)，是通過(guò)向目標(biāo)發(fā)射脈沖激光以探測(cè)目標(biāo)位置，速度等參數(shù)。激光雷達(dá)早期主要用于軍事和民間測(cè)繪(GIS)，考古學(xué)，地理學(xué)等領(lǐng)域[1],近年來(lái)隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的興起，對(duì)于環(huán)境感知的要求越來(lái)越苛刻，激光雷達(dá)在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的應(yīng)用也隨之展開(kāi)。

與其他傳感器相比，激光雷達(dá)選擇使用工作頻率較高的頻段，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

a) 高分辨率
激光雷達(dá)角分辨率不低于0.1mard,及可以分辨出3km距離上相聚0.3米的兩個(gè)目標(biāo)，并可同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo)，百米內(nèi)的距離分辨率可達(dá)0.1m，速度分辨率可達(dá)1m/s; 距離和速度分辨率高可以利用距離多普勒成像技術(shù)獲取目標(biāo)的清晰圖像。

b) 抗干擾性強(qiáng)
激光波長(zhǎng)短，可發(fā)射發(fā)散角較小的光束，方向性好，只有在其傳播路徑上才能接收到，不易形成多路徑效應(yīng)；

c) 信息量大
微波雷達(dá)由于存在各種地面回?fù)艿挠绊?，低空存在一定無(wú)法探測(cè)的區(qū)域，而對(duì)于激光雷達(dá)，只有被照射的物體才會(huì)產(chǎn)生反射，不受地面回波的影響，理論上可以實(shí)現(xiàn)“零高度”工作，可以獲得豐富的地面信息。此外，不僅可以獲取目標(biāo)的距離，還可以獲取目標(biāo)的速度，反射率，角度等信息，生成目標(biāo)多維信息。

d) 可全天候工作
激光探測(cè)屬于主動(dòng)探測(cè)范疇，不依賴于外界光照條件或目標(biāo)本身輻射特性，只需要發(fā)射激光光束，通過(guò)探測(cè)發(fā)射激光束的回波信號(hào)以獲取目標(biāo)信息。

激光雷達(dá)的缺點(diǎn)也十分明顯：

a) 受天氣和氣候影響大
激光在天氣情況良好的情況下衰減較小，傳播距離遠(yuǎn)；在大雨，霧霾嚴(yán)重或者濃煙等惡略天氣下衰減急劇加大，傳播距離受影響。

b) 激光對(duì)射
對(duì)于激光波段一樣，相互對(duì)射時(shí)，激光雷達(dá)無(wú)法判斷激光源是哪個(gè)雷達(dá)，形成相對(duì)干涉，影響激光檢測(cè)的穩(wěn)定性。

1.1.2 激光測(cè)距
激光測(cè)距方法主要可分為3種：脈沖測(cè)距，相位測(cè)距和三角測(cè)距。



其中，脈沖測(cè)距和相位測(cè)距的工作原理是在短時(shí)間內(nèi)向周?chē)l(fā)送大量光子，通過(guò)計(jì)算反射回來(lái)光子的飛行時(shí)間(TOF, Time of Flight),計(jì)算與周?chē)矬w的距離。三角測(cè)距是通過(guò)測(cè)量激光照射點(diǎn)在相機(jī)中的成像位置獲取距離信息。

I 脈沖測(cè)距
脈沖激光測(cè)距原理是，用脈沖激光器向目標(biāo)發(fā)射一列很窄的光脈沖(脈沖寬度小于50ns)，光達(dá)到目標(biāo)表面后部分被反射，通過(guò)測(cè)量光脈沖從發(fā)射到返回接收機(jī)的時(shí)間，可算出激光雷達(dá)與目標(biāo)之間的距離。
假設(shè)激光雷達(dá)與目標(biāo)的距離為，光脈沖往返時(shí)間為，光的傳播速度為，則：




該測(cè)量方法用到了一個(gè)基準(zhǔn)：光速，改基準(zhǔn)帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)非常明顯，測(cè)量速度快，由于采用高峰值的激光進(jìn)行測(cè)量，其抗強(qiáng)光干擾能力強(qiáng)。該測(cè)量方法的缺點(diǎn)是探測(cè)電路設(shè)計(jì)難度大，難以提高檢測(cè)精度，如果想將測(cè)距分辨率提高到1.5毫米，我們須將計(jì)時(shí)時(shí)鐘分辨率提升到10皮秒，即設(shè)計(jì)帶寬需要達(dá)到100G,現(xiàn)有技術(shù)很難達(dá)到。

II相位測(cè)距
相位測(cè)距法是利用特定的無(wú)線電波頻段對(duì)激光雷達(dá)發(fā)出的激光進(jìn)行幅度調(diào)制，然后測(cè)定調(diào)制光往返測(cè)線一次產(chǎn)生的相位延遲，再根據(jù)調(diào)制光的波長(zhǎng)，換算出該相位延遲所代表的距離。如下圖所示：



若調(diào)制光角頻率為，在待測(cè)量距離上往返一次產(chǎn)生的相位延遲為，則對(duì)應(yīng)時(shí)間 可表示為：



將此關(guān)系代入（3-6）式距離可表示為



式中：φ表示信號(hào)往返測(cè)線一次產(chǎn)生的總的相位延遲。ω表示調(diào)制信號(hào)的角頻率，ω=2πf;
N——測(cè)線所包含調(diào)制半波長(zhǎng)個(gè)數(shù)。Δφ——信號(hào)往返測(cè)線一次產(chǎn)生相位延遲不足π部分。

在給定調(diào)制和標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，頻率c/(4πf)是一個(gè)常數(shù)，此時(shí)距離的測(cè)量變成了測(cè)線所包含半波長(zhǎng)個(gè)數(shù)的測(cè)量和不足半波長(zhǎng)的小數(shù)部分的測(cè)量即測(cè)N或φ，由于近代精密機(jī)械加工技術(shù)和無(wú)線電測(cè)相技術(shù)的發(fā)展，已使φ的測(cè)量達(dá)到很高的精度。

為了測(cè)得不足π的相角φ，可以通過(guò)不同的方法來(lái)進(jìn)行測(cè)量，通常應(yīng)用最多的是延遲測(cè)相和數(shù)字測(cè)相，目前短程激光測(cè)距儀均采用數(shù)字測(cè)相原理來(lái)求得φ。

相位測(cè)距法的最大優(yōu)點(diǎn)是測(cè)距分辨率非常高，目前市場(chǎng)上相位測(cè)距儀都可以達(dá)到毫米量級(jí)分辨率。缺點(diǎn)是測(cè)量速度比脈沖測(cè)距慢，測(cè)準(zhǔn)一個(gè)相位差往往需要做上幾十到上百個(gè)周期，相當(dāng)于測(cè)量時(shí)間加長(zhǎng)。此外相位測(cè)距精度容易受到形狀運(yùn)動(dòng)等因素影響，如果在測(cè)量的光斑里面有一前一后兩個(gè)目標(biāo)，實(shí)際測(cè)量距離是兩個(gè)目標(biāo)距離的一個(gè)平均距離，既不是前一個(gè)目標(biāo)的距離也不是后一個(gè)目標(biāo)的距離。

III三角測(cè)距
激光三角測(cè)距法通過(guò)測(cè)量激光照射點(diǎn)在相機(jī)中成像位置獲取距離信息，如圖，激光器LD 發(fā)出一束激光打在被測(cè)量物體上反射回來(lái)，經(jīng)過(guò)鏡頭成像于CCD(成像屏幕) 上，由幾何關(guān)系三角形相似得到被測(cè)距離。



式中，b為激光器光軸與接收鏡頭光軸之間的距離；f為接收鏡頭的焦距；x為接收像點(diǎn)到鏡頭光軸的距離；其中，b和f已知，只要測(cè)出x的值就可以計(jì)算出目標(biāo)的距離z。

三角測(cè)距法的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)難度低，成本也很低，在近距離測(cè)距精度也很高。某些工業(yè)上使用激光測(cè)距已經(jīng)可以做到百微米測(cè)量精度。缺點(diǎn)是檢測(cè)精度隨著檢測(cè)距離的增加而逐漸變差，此外，CMOS相機(jī)必須用一個(gè)連續(xù)的激光同步進(jìn)行照明，這種測(cè)距方式一般適合室內(nèi)近距離工作，不適合在戶外強(qiáng)光背景或者室內(nèi)強(qiáng)光背景下工作。

表* 三種測(cè)距方法性能比較



脈沖測(cè)距成本和技術(shù)難度比較大，距離測(cè)量范圍和速度性能較好，距離檢測(cè)精度較相位檢測(cè)低一些，按目前檢測(cè)技術(shù)，基本上可以實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)精度。目前，車(chē)載激光雷達(dá)大部分采用這種測(cè)距方法。