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| 本文作者： 易建成 | 2016-12-21 21:22 | 專題：雷峰網(wǎng)公開課 |
編者按：本文內(nèi)容來自寧波傲視智繪光電科技有限公司創(chuàng)始人、董事長朱少嵐在硬創(chuàng)公開課的分享，由雷鋒網(wǎng)旗下欄目“新智駕”整理。
本期公開課要點：
激光雷達(dá)技術(shù)簡介
單線激光雷達(dá)的特點
單線激光雷達(dá)的應(yīng)用
激光雷達(dá)最早的定義是 LIDAR，英文為 Light Deteation and Ranging，中文意思是「光的探測和測距」。
其實更準(zhǔn)確的一個定義是 LADAR：LAser Detection and Ranging，即「激光的探測和測距」。這是在 2004 年提出的定義，更符合激光雷達(dá)的概念。
激光雷達(dá)實際上是一種工作在光學(xué)波段（特殊波段）的雷達(dá)，它的優(yōu)點非常明顯：
1、具有極高的分辨率：激光雷達(dá)工作于光學(xué)波段，頻率比微波高2～3個數(shù)量級以上，因此，與微波雷達(dá)相比，激光雷達(dá)具有極高的距離分辨率、角分辨率和速度分辨率；
2、抗干擾能力強(qiáng)：激光波長短，可發(fā)射發(fā)散角非常?。é蘲ad量級）的激光束，多路徑效應(yīng)?。ú粫纬啥ㄏ虬l(fā)射，與微波或者毫米波產(chǎn)生多路徑效應(yīng)），可探測低空/超低空目標(biāo)；
3、獲取的信息量豐富：可直接獲取目標(biāo)的距離、角度、反射強(qiáng)度、速度等信息，生成目標(biāo)多維度圖像；
4、可全天時工作：激光主動探測，不依賴于外界光照條件或目標(biāo)本身的輻射特性。它只需發(fā)射自己的激光束，通過探測發(fā)射激光束的回波信號來獲取目標(biāo)信息。
但是激光雷達(dá)最大的缺點——容易受到大氣條件以及工作環(huán)境的煙塵的影響，要實現(xiàn)全天候的工作環(huán)境是非常困難的事情。
激光雷達(dá)的分類，如果從體制上劃分，主要有直接探測激光雷達(dá)和相干探測激光雷達(dá)。實際上，目前我們提到的，包括自動駕駛、機(jī)器人、測繪用到的激光雷達(dá)，基本上屬于這種直接探測類型的激光雷達(dá)。有比較特殊的，比如測風(fēng)、測速之類的雷達(dá)，一般會采用相干體制。
按應(yīng)用分類，我們可以分得更多，比如：激光測距儀、激光三維成像雷達(dá)、激光測速雷達(dá)、激光大氣探測雷達(dá)，等等。
不管是單線激光雷達(dá)、多線激光雷達(dá)或測繪激光雷達(dá)，我們基本上可以將其劃分到激光三維成像雷達(dá)的范疇。
一個激光三維成像雷達(dá)，實際上它需要得到兩個核心信息：目標(biāo)距離信息以及目標(biāo)角度信息。
如果我們把它的三維坐標(biāo)準(zhǔn)確定下來，我們需要得到它的距離、方位角、俯仰角信息。然后我們根據(jù)距離、方位角度、俯仰角度三個信息，將目標(biāo)的三維坐標(biāo)點計算出來。
一般而言，通過對編碼器進(jìn)行測量來獲取角度信息的技術(shù)很成熟。我們更關(guān)心的是，激光雷達(dá)的距離信息是怎么獲取的。
激光三維成像雷達(dá)可以通過直接測距、直接測角的技術(shù)得到目標(biāo)的三維點云數(shù)據(jù)，并且獲得的數(shù)據(jù)本身就是三維數(shù)據(jù)，不需要通過大量運算和處理才生成目標(biāo)三維圖像，而且激光測距有非常高的精度。
所以，激光三維成像雷達(dá)是目前能獲取大范圍三維場景圖像效率最高的傳感器，也是目前能獲取三維場景精度最高的傳感器。
目前，我們通常能見到的測距方法，從大類上可以分為：激光飛行時間（Time of Fly，TOF）法以及三角法。
激光飛行時間法可以分為兩類，一類是脈沖調(diào)制（脈沖測距技術(shù)），一類是對激光連續(xù)波進(jìn)行強(qiáng)度的調(diào)制，通過相位差來測量距離信息的相位測距。
我們能在市面上見到的測距儀，或者說單線、多線激光雷達(dá)，基本上都是采用這三類測距方法。
激光脈沖測距技術(shù)的原理非常簡單：通過測量激光脈沖在雷達(dá)和目標(biāo)之間來回飛行時間獲取目標(biāo)距離的信息。這里用了一個基準(zhǔn)，就是光的速度。所有的測量都必須有一個基準(zhǔn)，對于一束激光來說有兩個基準(zhǔn)：速度和頻率（兩個最準(zhǔn)的基準(zhǔn)），因為 TOF 用的基準(zhǔn)就是激光的飛行速度。
上述提到的三種測距方式，我認(rèn)為技術(shù)難點最大的是脈沖測距的方式。但它帶來的優(yōu)點非常明顯：測量速度非?？?。由于通過高峰值的激光來進(jìn)行測量，其抗強(qiáng)光的干擾能力非常強(qiáng)。
缺點是測距分辨率提升難度高，探測電路難度大。舉個例子，如果要做到相位測距 1.5 個毫米的分辨率，我們就需要把計時時鐘分辨率做到 10 個皮秒，也就相當(dāng)于 100G 帶寬，這是一個非常難的技術(shù)。
激光相位測距，比如說常見的手持式激光測距儀，采用的就是相位測距的方式來實現(xiàn)。它主要通過測量被強(qiáng)度調(diào)制的連續(xù)波激光信號在雷達(dá)與目標(biāo)之間來回飛行產(chǎn)生的相位差獲得距離信息。
這種技術(shù)最大的優(yōu)點：測距分辨率非常高，目前一般市面上的相位測距儀都可以達(dá)到毫米量級分辨率。
缺點是測量速度比脈沖測距慢，畢竟我們把一個相位差測準(zhǔn)，至少要做上幾十甚至上百個周期，實際上就相當(dāng)于把它的測量時間變相拉長，那么它的測量速度相對來說比較低。此外，它的測量精度比較容易受到目標(biāo)形狀運動影響。如果在測量的光斑里，兩個目標(biāo)一前一后，實際上它測出來的具體信息，是這兩個目標(biāo)距離的一個平均值，而不是前一個目標(biāo)信息或后一個目標(biāo)信息。
但在脈沖測距里，就很容易將這樣的信息分開。比如，一個激光脈沖，如果我們能夠把脈沖寬度做到 10 個納秒，那么我們就可以把一個目標(biāo)前后相距三十厘米的目標(biāo)，通過多次回波的方法將其區(qū)分出來。
這種方式在相位測距里就很難把它區(qū)分出來。因為在測量過程中，它的時間會比較長，目標(biāo)運動帶進(jìn)來的距離信息，把它引入到測量值里，實際上它測的是一個平均距離信息，而不是實時信息。但是激光脈沖測距，實際上是當(dāng)前位置實時的信息。
這也是為什么車用或機(jī)器人用的激光雷達(dá)往往會采用激光脈沖的測距技術(shù)，而不采用相位測距技術(shù)。
三角法測距就是通過測量激光照射點在相機(jī)中的成像位置獲得距離信息。三角法測距最大的有優(yōu)點就是技術(shù)難度低，成本也很低，在近距離測距精度也很高。比如工業(yè)用可以做到百微米測距精度。
但缺點是，它的精度會隨著距離的增加逐漸變差，基本上沒法與脈沖測距以及相位測距相比。
另外一點，因為 CMOS 相機(jī)必須要用一個連續(xù)的激光同步進(jìn)行照明，它的平均功率相對來說比較低，抗干擾能力會非常強(qiáng)，這種測距方式一般適合室內(nèi)近距離工作，而不適合在戶外強(qiáng)光背景或者室內(nèi)強(qiáng)光背景下工作。
三角法測距比較適合用于機(jī)器人等對性能要求不高的場景。
從上圖我們可以看出，脈沖測距除了成本和技術(shù)難度比較大以外，它在其他各方面的性能都比較優(yōu)秀。當(dāng)然，它的測距精度會比相位測距精度略低一些。但是這種精度，按目前的技術(shù)，我們基本上可以達(dá)到厘米量級，甚至是幾個毫米量級的測距精度，基本上能滿足我們多場合的使用要求。
我們主要的方向就是用脈沖測距的方式來做單線雷達(dá)，包括多線雷達(dá)。
目前單線激光雷達(dá)產(chǎn)品，主要有 SICK 公司和 HOKUYO 公司。
單線激光雷達(dá)，實際上是一個高同頻脈沖激光測距儀，加上一個一維旋轉(zhuǎn)掃描。單線激光雷達(dá)的特點：
只有一路發(fā)射和一路接收，結(jié)構(gòu)相對簡單，使用方便；
掃描速度高、角度分辨率高；
體積、重量和功耗低；
可靠性更高；
成本低；
在自動駕駛領(lǐng)域，我們基本上看到的都是多線激光雷達(dá)，單線激光雷達(dá)到底能干什么？
如上圖，美國 DARPA 自動駕駛挑戰(zhàn)賽里的參賽車，第一個是 2005 年斯坦福大學(xué)名字叫做 Stanly 的參賽車，這是當(dāng)年獲得冠軍的參賽車。另一個是卡耐基梅隆大學(xué)的參賽車。
當(dāng)時他們用的基本上是 SICK 公司的單線激光雷達(dá)。特別是斯坦福大學(xué)的參賽車，光是上方就裝了五個激光雷達(dá)，我們可以認(rèn)為它是多線激光雷達(dá)的“鼻祖”，只不過它是用了五個單線激光雷達(dá)來實現(xiàn)多線激光雷達(dá)的功能。
2007 年 Velodyne 推出 64 線激光雷達(dá)以后，很多自動駕駛車輛基本上采用了 Velodyne 的產(chǎn)品。但這是不是就是說明，單線激光雷達(dá)在輔助或者自動駕駛里沒有市場？
我認(rèn)為不是。因為單線激光雷達(dá)有它的特點，比如說，在高重復(fù)頻率、高角度分辨率上，多線激光雷達(dá)很難達(dá)到同樣的技術(shù)指標(biāo)。
上圖是今年在常熟中國智能車未來挑戰(zhàn)賽部分參賽車的照片。可以看到，除了使用 Velodyne 多線激光雷達(dá)、Ibeo 多線激光雷達(dá)外，他們都安裝了 SICK 單線激光雷達(dá)。西安交大因為與我們有合作，所以用了我們的單線激光雷達(dá)。
在行人探測、障礙物探測（小目標(biāo)探測）以及前方障礙物探測等方面上，單線激光比多線激光雷達(dá)有優(yōu)勢得多，因為單線激光雷達(dá)的角分辨率可以做得比多線激光雷達(dá)高，這一點在探測小物體或者行人里非常有用。
上圖是 Ibeo 當(dāng)時做的單線激光雷達(dá)的宣傳視頻截圖，圖中它實現(xiàn)的一個功能是前向防碰撞。比如，在行駛路上，左側(cè)突然出現(xiàn)一輛車，激光雷達(dá)可以探測到車的位置和大小以后，實現(xiàn)自動避讓。
這個技術(shù)在現(xiàn)在智能機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人上非常有用，而且目前這一塊也是比較熱的領(lǐng)域。
上圖是激光雷達(dá)在車道檢測和車道偏航預(yù)警的應(yīng)用。可能很多人會問一個問題，為什么要用激光雷達(dá)來做車道檢測而不用相機(jī)，ADAS 算法不是非常成熟嗎，為什么非得用激光雷達(dá)？
這是因為相機(jī)特別容易受到背景光或者強(qiáng)光的干擾。比如，我們在林蔭大道行走的時候，如果樹蔭落下斑斑點點的陽光，再結(jié)合白色車道線，我們非常難把車道線識別出來，而且識別概率在復(fù)雜的光照或者在強(qiáng)光照射條件下，它的識別概率非常非常低，算法也非常復(fù)雜。
那么，用激光雷達(dá)來做車道檢測有什么好處？第一，我們用的是紅外激光，這種激光本身在紅外波段的輻射比可見光要低得多。第二，我們會加一個非常窄的濾光片，把強(qiáng)背景光直接濾除。然后我們再用紅外光對它進(jìn)行探測。這樣我們就能獲得一張非常高質(zhì)量的車道線圖像，通過圖像的灰度，就能非常容易把車道線檢測出來。換句話說，用激光雷達(dá)來做車道線檢測，它的性能會比相機(jī)要高。
單線激光雷達(dá)在輔助駕駛里的應(yīng)用是行人探測，實際上這也是一個前向防碰撞的應(yīng)用，與汽車防碰撞基本類似。由于單線激光雷達(dá)的角分辨率可以做到比多線激光雷達(dá)高，可在更遠(yuǎn)的距離提前發(fā)現(xiàn)行人，為控制系統(tǒng)或駕駛員留出更多的預(yù)警時間。
ACC（Stop&Go）的應(yīng)用。這個功能在目前中國城市交通擁堵的情況下特別適用，它是通過前向激光雷達(dá)直接探測到前面的汽車運動來獲得前車的準(zhǔn)確距離信息，然后通過控制汽車自動進(jìn)行跟隨。
問：能否利用多線來模擬少線？比如從 64 線數(shù)據(jù)中選取其中 16 線數(shù)據(jù)，和直接使用 16 線激光獲得的數(shù)據(jù)相比，會有什么區(qū)別？
朱少嵐：可以用多線來模擬少線，Velodyne 的多線激光雷達(dá)就可以進(jìn)行設(shè)計。但是從多線里面選取少數(shù)幾線，在俯仰角度方向的分辨率就會降低。因為多線激光雷達(dá)的沒一線之間的角度都是固定的，要么間隔著選，要么連續(xù)選。主要還是根據(jù)實際需要來選擇。
問：對于固態(tài)激光雷達(dá)，制造單線和多線在技術(shù)難度上會有多大差別？
朱少嵐：如果是可以進(jìn)行二維掃描固態(tài)掃描的激光雷達(dá)，制造單線和多線的難度差別并不大。但如果固態(tài)掃描器件只能實現(xiàn)一維掃描，那么做多線雷達(dá)就必須采用多個單線雷達(dá)來拼，需要解決每個模塊之間的配合和串?dāng)_問題，體積也會比較大，這種多線激光雷達(dá)的難度就會大一些。
問：對于吸光障礙物無法保證光線有效反射回來，目前激光雷達(dá)技術(shù)是否有相應(yīng)的措施解決這個問題？
朱少嵐：這是個死區(qū)。如果激光雷達(dá)遇上吸光障礙物，將無法有效接收到目標(biāo)反射回來的回波信號，測量不出目標(biāo)的位置信息。如果是鏡面反射障礙物，就會形成多路徑效應(yīng)。如果遇上透光的玻璃，就有可能探測到玻璃后面的目標(biāo)。這是由光的物理屬性決定的。
要解決吸光障礙物問題，從我現(xiàn)有的知識面來看，只能通過增加發(fā)射激光功率來解決，但不是一個好的方法。
問：目前的單線、多線激光雷達(dá)方案是否屬于一種過渡性方案，最終會過渡到面陣激光雷達(dá)，不存在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可以和車身進(jìn)行融合，不用頭頂犄角？
朱少嵐：是的。我認(rèn)為激光雷達(dá)肯定會由掃描雷達(dá)向凝視成像，也就是面陣成像激光雷達(dá)發(fā)展，甚至想多光譜凝視成像方向發(fā)展，同時可以獲得目標(biāo)的光譜信息。
一旦實現(xiàn)凝視成像后，激光雷達(dá)就和目前的可見光相機(jī)一樣輕巧，可以和車身進(jìn)行完美的融合。但目前激光雷達(dá)的面陣探測器技術(shù)難度非常大，成本很高。
問：面陣激光雷達(dá)的光源芯片個探測器芯片目前國內(nèi)有比較好的方案或者產(chǎn)品么？進(jìn)行這方面研究的機(jī)構(gòu)據(jù)您所知都有哪些呢，比較可能在這方面有突破的研究機(jī)構(gòu)會是哪一些？
朱少嵐：面陣激光雷達(dá)的探測器芯片目前至少有四個研究所在從事這方面的研究和開發(fā)，為兵器、中電和科學(xué)院的研究所，包括我們西安光機(jī)所，但到目前為止還沒見到有商業(yè)化的產(chǎn)品出來。
由于我對其他研究所的技術(shù)狀態(tài)不是很了解，無法進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。西安光機(jī)所的樣片已經(jīng)出來，但性能還需進(jìn)行深入優(yōu)化。
問：傲視智繪 HLD-1L01 激光點是每秒多少個的？之前分享中也提到了 TOF，TOF 不是在室外會很弱嗎？
朱少嵐：傲視智繪目前的 HLD-L01 目前是 36k 點/s。采用脈沖測距體制的 TOF 法抗強(qiáng)光干擾能力比較強(qiáng)，在室外受影響比較低。在我們路測的圖片中，車輛是下午 5 點多朝西走，在強(qiáng)烈的光照條件下，性能并沒受到影響。
問：目前國內(nèi)具不具備激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈？激光雷達(dá)的算法一般由誰來提供？單線激光雷達(dá)的價位和未來 5 年的價格曲線是什么？
朱少嵐：目前國內(nèi)激光的產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)浅墒斓?。激光雷達(dá)算法很多科研院所和公司都可以提供，譬如我們的合作方鴻逸達(dá)就可以提供算法，我們公司目前也正在做部分這方面的開發(fā)工作。
單線激光雷達(dá)的價位主要和產(chǎn)量相關(guān)，未來 5 年的價格曲線我現(xiàn)在不好預(yù)估。如果量上不去，成本肯定不會太低。
PS：如果你對激光雷達(dá)話題感興趣，歡迎掃描下方二維碼關(guān)注“新智駕”。
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