第四節　激光雷達

一、激光雷達的定義

激光雷達是工作在光頻波段的雷達，它利用光頻波段的電磁波先向目標發射探測信號，然后將其接收到的同波信號與發射信號相比較，從而獲得目標的位置（距離、方位和高度）、運動狀態（速度、姿態）等信息，實現對目標的探測、跟蹤和識別。

激光雷達根據安裝位置的不同，分為兩大類，一類安裝在無人駕駛汽車的四周，另一類安裝在無人駕駛汽車的車頂，如圖2-18所示。安裝在無人駕駛汽車四周的激光雷達，其激光線束一般小于8線，常見的有單線激光雷達和四線激光雷達；安裝在無人駕駛汽車車頂的激光雷達，其激光線束一般不小于16線，常見的有16線/32線/64線激光雷達。

車載激光雷達普遍采用多個激光發射器和接收器，建立三維點云圖，從而達到實時環境感知的目的。

二、激光雷達的特點

激光雷達具有以下特點。

（1）分辨率高　激光雷達可以獲得極高的角度、距離和速度分辨率。通常激光雷達的角分辨率不低于0.1mard，也就是說可以分辨3km距離上相距0.3m的兩個目標，并可同時跟蹤多個目標；距離分辨率可達0.1m；速度分辨率能達到10m/s以內。

（2）探測范圍廣　探測距離可達300m左右。

（3）信息量豐富　可直接獲取探測目標的距離、角度、反射強度、速度等信息，生成目標多維度圖像。

（4）全天候工作　激光主動探測，不依賴于外界光照條件或目標本身的輻射特性，它只需發射自己的激光束，通過探測發射激光束的回波信號來獲取目標信息；但容易受到大氣條件以及工作環境煙塵的影響，且不具備攝像頭能識別交通標志的功能。

三、激光雷達系統的組成

智能網聯汽車激光雷達系統由收發天線、收發前端、信號處理模塊、汽車控制裝置和報警模塊組成，如圖2-19所示。

（1）收發天線　收發天線可安裝于車輛保險杠內，向車輛前方發出發射信號，并接收反射信號。

（2）收發前端　收發前端是雷達系統的核心部件，負責信號調制、射頻信號的發射接收及接收信號解調。

（3）信號處理模塊　信號處理模塊自動分析、計算出與前方車輛的距離和相對速度，并且防止轉彎時錯誤測量臨近車道車輛的情況發生。

（4）汽車控制裝置　汽車控制裝置是控制汽車的自動操作系統，達到自動減速慢速行車，或緊急剎車。通過限制發動機輸出轉矩、調節制動力及變速器擋位，控制汽車行駛速度。

（5）報警模塊　根據設定的安全車距和報警距離，以適當方式給駕駛員報警，保障汽車安全行駛。

四、激光雷達的測距原理

激光雷達測距的基本原理是通過測算激光發射信號與激光回波信號的往返時間，從而計算出目標的距離。首先，激光雷達發出激光束，激光束碰到障礙物后被反射回來，被激光接收系統進行接收和處理，從而得知激光從發射至被反射回來并接收之間的時間，即激光的飛行時間，根據飛行時間，可以計算出障礙物的距離。根據所發射激光信號的不同形式，激光測距方式可分為脈沖法激光測距和相位法激光測距兩大類，如圖2-20所示。

（1）脈沖法激光測距　脈沖法是通過激光雷達的發射器發出脈沖激光照射到障礙物后會有部分激光反射回來，由激光雷達的接收器接收。同時激光雷達內部可以記錄發射和接收的飛行時間間隔，根據光速可以計算出要測量的距離。

（2）相位法激光測距　相位法由激光發射器發出強度調制的連續激光信號，照射到障礙物后反射回來，測量光束在往返中會產生相位的變化，通過計算激光信號在雷達與障礙物之間來回飛行產生的相位差，換算出障礙物的距離。

五、激光雷達的類型

激光雷達按有無機械旋轉部件，可分為機械激光雷達、固態激光雷達和混合固態激光雷達。

（1）機械激光雷達　機械激光雷達帶有控制激光發射角度的旋轉部件，體積較大，價格昂貴，測量精度相對較高，一般置于汽車頂部。

（2）固態激光雷達　固態激光雷達則依靠電子部件來控制激光發射角度，無須機械旋轉部件，故尺寸較小，可安裝于車體內。

（3）混合固態激光雷達　混合固態激光雷達沒有大體積旋轉結構，采用固定激光光源，通過內部玻璃片旋轉的方式改變激光光束方向，實現多角度檢測的需要，并且采用嵌入式安裝。

根據線束數量的多少，激光雷達又可分為單線束激光雷達與多線束激光雷達。

（1）單線束激光雷達　單線束激光雷達掃描一次只產生一條掃描線，其所獲得的數據為2D數據，因此無法區別有關目標物體的3D信息。但由于單線束激光雷達具有測量速度快、數據處理量少等特點，多被應用于安全防護、地形測繪等領域。

（2）多線束激光雷達　多線束激光雷達掃描一次可產生多條掃描線。目前市場上多線束激光雷達產品包括4線束、8線束、16線束、32線束、64線束等，其細分可分為2.5D激光雷達及3D激光雷達。2.5D激光雷達與3D激光雷達最大的區別在于激光雷達垂直視野的范圍，前者垂直視野范圍一般不超過10°，而后者可達到30°甚至40°以上，這也就導致兩者對于激光雷達在汽車上的安裝位置要求有所不同。

如圖2-21所示為機械激光雷達和固態激光雷達以及64線束、32線束和16線束的激光雷達。

六、激光雷達的應用

激光雷達具有高精度電子地圖和定位、障礙物識別、可通行空間檢測、障礙物軌跡預測等功能，如圖2-22所示。

（1）高精度電子地圖和定位　利用多線束激光雷達的點云信息與車載組合慣導采集的信息，進行高精度電子地圖制作。無人駕駛汽車利用激光點云信息與高精度電子地圖匹配，以此實現高精度定位。

（2）障礙物識別　利用高精度電子地圖限定感興趣區域（ROI）后，根據障礙物特征和識別算法，進行障礙物檢測與識別。

（3）可通行空間檢測　利用高精度電子地圖限定ROI后，可以對ROI內部（比如可行駛道路和交叉口）點云的高度及連續性信息判斷點云處是否可通行。

（4）障礙物軌跡預測　根據激光雷達的感知數據與障礙物所在車道的拓撲關系（道路連接關系）進行障礙物的軌跡預測，以此作為無人駕駛汽車規劃（避障、換道、超車等）的判斷依據。

IBEO LUX（4線）激光雷達是德國IBEO公司借助高分辨率激光測量技術推出的第一款多功能汽車智能傳感器，如圖2-23所示。它擁有110°的寬視角，0.3～200m的探測距離，絕對安全的1等級激光。

IBEO LUX（4線）激光雷達不僅輸出原始掃描數據，同時輸出每個測量對象的數據，如位置、尺寸、縱向速度、橫向速度等，擁有遠距離、智能分辨率、全天候等能力，結合110°的寬視角，在以下7個方面擁有出色的性能。

（1）行人保護　當一個人出現在車輛行駛的前方路面上時，需要車輛提供保護的場合。IBEO LUX（4線）激光雷達能檢測0.3～30m視場范圍內的所有行人。通過分析對象的外形、速度和腿部移動來區分行人與普通物體，傳感器在啟動安全保護措施前300ms時發出警告，這樣便可在發生碰撞之前保護行人。

（2）自適應巡航控制系統的啟和停　基于IBEO LUX（4線）激光雷達的自適應巡航控制系統可在0～200km/h的速度范圍內實現自動行駛，可在沒有駕駛員幫助的情況下自動調整車速，如有必要，剎車停行。寬視場范圍使得它能及時地檢測到并線的車輛，并且快速判斷它的橫向速度。

（3）車道偏離預警　IBEO LUX（4線）激光雷達可以檢測車輛行駛前方車道線標識和潛在的障礙，同時也可以計算車輛在道路中的位置。如果車輛可能會偏離航線，系統會立即發出預警。

（4）自動緊急剎車　IBEO LUX（4線）激光雷達實時檢測車輛行駛前方所有靜止的和移動的物體，并且判斷它們的外形，當要發生危險時，自動緊急剎車。

（5）預碰撞處理　通過分析所有的環境掃描數據，不管是即將發生什么樣的碰撞（如擦碰），預碰撞功能都會在碰撞發生前100ms發出警告。IBEO LUX（4線）激光雷達能計算出碰撞的初始接觸點并且采取措施以減小碰撞，提前啟動安全系統。

（6）交通擁堵輔助　針對城市擁堵路況，IBEO LUX（4線）激光雷達能夠在上下班路上消除頻繁啟停而帶來的煩惱。駕駛員只需掌握好汽車轉向盤，該功能在時速小于30km/h的路況下顯得尤為重要。緩和的加/減速度和可靠的行人保護功能，使車輛駕駛既安全又省心。

（7）低速防碰撞功能　行駛途中，哪怕是一小會的分神也有可能導致事故發生，引入低速防碰撞功能，使得以前在30km/h時速下時常發生的類似事故不再發生，IBEO LUX（4線）激光雷達檢測并分析前方的路況，車輛會在發生碰撞前自動停駛。