2.4 車載激光雷達

2.4.1 車載激光雷達概述

激光雷達是以發射激光束來探測目標的位置、速度等特征量的雷達系統，它向目標發射探測信號（激光束），然后將接收到的從目標反射回來的信號（目標回波）與發射信號進行比較，做適當處理后，就可獲得目標的有關信息，如目標距離、方位、高度、速度、姿態、甚至形狀等參數。相比普通雷達，激光雷達具有分辨率高、隱蔽性好、抗干擾能力更強等優勢。

圖2-25所示為激光雷達的工作原理，圖中激光以紅色實線表示，紅色圓點表示發射的激光束遇到障礙物之后形成的測量點，超出測量范圍以灰色虛線表示。

2.4.2 車載激光雷達的特點

激光雷達的優點是：激光束發散角小，能量集中；有更好的分辨率和靈敏度，可以獲得幅度、頻率和相位等信息；多普勒頻移大，可以探測從低速到高速的目標；抗干擾能力強，隱蔽性好；激光雷達的波長短，可以在分子量級上對目標進行探測，且探測系統的結構尺寸可做得很小；可以檢測到道路邊緣，側向檢測效果好。其缺點是：易受天氣影響，例如遇到空氣中的霧霾后會形成反射，誤判斷為遇到了障礙物，將導致錯誤的駕駛行為；掃描頻率低，成本高，激光束窄，難以搜索和捕獲目標；不能準確識別物體的顏色和種類；不能識別文字等信息。圖2-26所示為各種類型的雷達特點對比圖。

2.4.3 車載激光雷達的分類

目前激光雷達廣泛應用在測繪、氣象監測、安防、自動駕駛等領域。激光雷達是實現汽車自動駕駛不可或缺的關鍵傳感器。目前市面上可見的車載激光雷達基本都是機械式的，其典型特征就是會旋轉，當然也有混合固態激光雷達，即外面不轉，里面仍有激光發射器進行旋轉的種類。但除了這兩種激光雷達外，因使用的技術不同，還分為多種激光雷達。

1.按照功能劃分

激光雷達按功能的不同進行分類，有激光測距雷達、激光測速雷達、激光成像雷達和激光跟蹤雷達等。

1）激光測距雷達。激光測距雷達是利用飛行時間來確定被測物體與測試點的距離，智能網聯汽車需要激光雷達具備這樣的功能。圖2-27所示的雷達就屬于激光測距雷達。

2）激光測速雷達。激光測速雷達是通過對被測物體進行兩次有特定時間間隔的激光測距，從而得到該被測物體的移動速度，智能網聯汽車需要激光雷達具備這樣的功能。

3）激光成像雷達。激光成像雷達是利用雷達不間斷掃描的功能勾畫出物體的輪廓形狀，智能網聯汽車需要激光雷達具備這樣的功能。

4）激光跟蹤雷達。激光跟蹤雷達是利用雷達技術連續確定目標的位置變化，從而實現跟蹤，智能網聯汽車需要激光雷達具備這樣的功能。

2.按照介質劃分

激光雷達按激光介質的不同進行分類，有氣體激光雷達、半導體激光雷達和固體激光雷達等。

1）氣體激光雷達。氣體激光雷達以CO₂激光雷達為代表，工作在紅外波段，大氣傳輸衰減小，探測距離遠。

2）半導體激光雷達。半導體激光雷達能以高重復頻率方式連續工作，具有長壽命、小體積、低成本和對人眼傷害小的優點，中汽恒泰智能網聯汽車上就采用這種類型的激光雷達。

3）固體激光雷達。固體激光雷達的峰值功率高，輸出波長范圍與現有的光學元器件以及大氣傳輸特性相匹配，效率高、體積小、重量輕、可靠性高和穩定性好。圖2-28所示為固體激光雷達。

3.按照線數劃分

激光雷達按線數的不同進行分類，有單線激光雷達和多線激光雷達。

1）單線激光雷達。單線激光雷達主要用于規避障礙物，掃描速度快、分辨率強、可靠性高。其缺點是只能平面式掃描，不能測量物體高度，有一定的局限性。

2）多線激光雷達。多線激光雷達主要應用于汽車的雷達成像，相比單線激光雷達在維度提升和場景還原上有了質的改變，可以識別物體的高度信息。多線激光雷達常規是2.5D，有的也可以做到3D。圖2-29所示為多線激光雷達。

2.4.4 車載激光雷達的安裝位置

如圖2-30所示，激光雷達安裝位置分為兩大類：一類安裝在智能網聯汽車的四周，另一類安裝在智能網聯汽車的車頂。對于裝在智能網聯汽車四周的激光雷達，其激光線束一般小于8，常見的有單線激光雷達和4線激光雷達。對于安裝在智能網聯汽車車頂的激光雷達，其激光線束一般不小于16，常見的有16、32、64線激光雷達。不管安裝在什么位置，均需要滿足以下要求。

1）首先根據雷達抗振動和沖擊能力，確定是否需要減振支架。

2）如果不需要減振支架，可以使用安裝吊耳固定或者雷達上面的其他固定螺釘孔。

3）避障雷達要求水平朝上傾斜5°左右，以解決高反射物體的探測。

4）測量雷達要求安裝平面盡可能與地面平行，用于提高普通定位精度。這是因為如果有傾斜角度的話，雷達在不同位置探測出來的輪廓會有較大誤差，最終影響定位精度。

5）激光頭安裝的位置最好低于200mm，約170mm的高度安裝位置最佳（即可做安全避障，又可以做測量用）。根據車身結構去選擇雷達正向安裝或倒置安裝都可以。

6）在雷達布置上面，可以選擇車頭中間位置或者車的四個對角點。如果布置兩個雷達在車對角，就可以實現車身360°都被激光雷達探測到，從而避障無死角。

7）不同車體，雷達的安裝x、y方向和旋轉姿態會有誤差，最終導致理論相同的定位點，車體卻有不同的位置和姿態。系統需要設置這三個誤差的補償值，從而保證其一致性。

2.4.5 車載激光雷達的元件組成

激光雷達主要構成要素包括發射系統、接收系統和信號處理系統，如圖2-31所示。

1）發射系統：由激光光源周期性發射激光脈沖，光電旋轉編碼器控制發射激光的方向和線束，最后通過轉鏡將激光發射至目標物體。

2）接收系統：接收器接收被測物體反射回來的激光，產生接收信號。

3）信號處理系統：接收信號經過放大處理和數模轉換，經由信息處理模塊計算，獲取目標表面形態、物理屬性等特性，最終建立物體模型。

1.發射系統

發射系統是激光雷達中用于發射出激光的部件，是激光雷達的重要組成部分。發射系統發射的激光是不連續的，是以脈沖形式發送，發射系統在1s內產生的脈沖個數稱為發射器的重頻（全稱為脈沖重復頻率，英文簡稱PRF，即Pulse Repetition Frequency）。發射器的重頻越高，單位時間內呈現在激光雷達上的點數就越多，因此也稱為激光雷達的發射點頻。激光雷達每秒發射的點數一般從幾萬點至幾十萬點左右，點數越多，越容易識別物體的特性。激光雷達發射系統的工作原理如圖2-32所示。

2.接收系統

激光雷達的接收單元由接收光學系統、光電探測器和回波檢測處理電路等組成，激光器發射的激光照射到障礙物以后，通過障礙物的反射會經由鏡頭組匯聚到接收器上。其功能是完成信號能量匯聚、濾波、光電轉變、放大和檢測等。

3.信號處理系統

信號處理系統的任務是既要完成對各傳動機構、激光器、掃描機構及各信號處理電路的同步協調與控制，又要對接收機送出的信號進行處理，根據這些信息計算出目標物體的距離信息。對于成像激光雷達來說還要完成系統三維圖像數據的錄取、產生、處理、重構等任務。

2.4.6 車載激光雷達的工作過程

激光雷達向目標發射（激光束）探測信號，然后將接收到的從目標反射回來的信號（目標回波）與發射信號進行比較，做適當處理后，就可獲得目標的有關信息，如目標距離、方位、高度、速度、姿態、甚至形狀等參數，從而對汽車周圍環境等目標進行探測、跟蹤和識別，如圖2-33所示。

單線激光雷達和多線激光雷達的工作過程：

1.單線激光雷達的工作過程

單線激光雷達是指激光源發出的線束是單線的雷達。其特點是只有一路發射和一路接收。單束激光發射器在激光雷達內部進行勻速的旋轉，每旋轉一個小角度即發射一次激光，旋轉一定的角度后，就生成了一幀完整的數據。單線激光雷達的數據缺少一個維度，只能描述線狀信息，無法描述面，如圖2-34所示。

2.多線激光雷達的工作過程

圖2-35所示為多線激光雷達的光來分布，它能同時發射及接收多束激光的激光旋轉雷達，多線激光雷達可以識別物體的高度信息并獲取周圍環境的3D掃描圖。多線激光雷達通過多個激光發射器和接收器，在一個維度上高度旋轉，但垂直方向的視場角很小，只有20°左右，且垂直方向的點分辨率也比較稀疏。主要應用在無人駕駛等實時性要求高、精度要求不高的領域。

2.4.7 車載激光雷達的測距原理

激光雷達工作時，發射機向空間發射一串重復性的、周期一定的高頻窄脈沖。如果在電磁波傳播的途徑上有目標存在，那么激光雷達就可接收到由目標反射回來的回波。由于回波信號往返于雷達與目標之間，所以它將滯后于發射脈沖一個時間。由此可知，激光雷達從發射信號開始到接收目標反射回波的時間乘以光速就是激光雷達到目標物體的往返距離，這就是飛行時間測距法（TOF，Time of Flight），如圖2-36所示。

2.4.8 車載激光雷達的測速原理

激光雷達測速的方法主要有兩大類：一類是基于激光雷達的測距原理，以一定的時間間隔連續測量目標距離，用兩次目標距離的差值除以時間間隔就可得知目標的速度值，速度的方向根據距離差值的正負就可以確定；另一類測速方法是利用多普勒頻移，當目標與激光雷達之間存在相對速度時，接收回波信號的頻率與發射信號的頻率之間會產生一個頻率差，相對速度越高，頻率差越大。

多普勒頻移是指當目標與激光雷達之間存在相對速度時，接收回波信號的頻率與發射信號的頻率之間會產生一個頻率差，這個頻率差就是多普勒頻移。其數值為df=2v/λ。式中，df為多普勒頻移，單位為Hz；v為激光雷達與目標間的徑向相對速度，單位為m/s；λ為發射激光的波長，單位為m。

激光雷達發出一個頻率為1,000MHz的脈沖微波，如果微波射在靜止不動的物體上，被反射回來，其反射波頻率不會改變，仍然是1000MHz。反之，如果物體在行駛，而且速度很快，那么根據多普勒效應，反射波頻率與發射波的頻率就不相同。通過對這種微波頻率微細變化的精確測定，求出頻率的差異，通過計算機就可以換算出汽車的速度了，如圖2-37所示。

當目標向著激光雷達運動時，回波信號頻率提高，表示激光雷達與被測目標的距離在減小；反之，回波信號的頻率降低，則說明激光雷達與被測目標距離在增大。因此，只要能夠測量出多普勒頻移df，就可以確定目標與激光雷達的相對速度。對于車載激光雷達，就可以根據自身車速推算出被測目標的速度。

2.4.9 車載激光雷達的控制策略

車載激光雷達是一種移動型三維激光掃描系統，可以通過發射和接收激光束，分析激光遇到目標對象后的折返時間，計算出目標對象與車的相對距離，并利用收集的目標對象表面大量的密集點的三維坐標、反射率等信息，快速復建出目標的三維模型及各種圖件數據，建立三維點云圖，繪制出環境地圖，以達到環境感知的目的。激光雷達采集到的物體信息呈現出一系列分散的、具有準確角度和距離信息的點，被稱為點云，如圖2-38所示。

2.4.10 車載激光雷達的應用實例

激光雷達應用于車載，最初主要應用在輔助駕駛方面，用來輔助保障行車安全，與汽車主動避障技術有關聯，并且還應用在一些對路面狀況的掃描，主要針對視野盲區進行掃描并呈現在電子屏幕，引起駕駛人注意。現在逐漸用在路面狀況掃描、無人駕駛、點云圖成像等方面。激光雷達應用在汽車上的相關技術有自動泊車技術、主動巡航技術、自動制動技術、無人駕駛技術等。

未來車載激光雷達的技術發展趨勢主要表現在以下幾個方面：首先，技術指標提升；其次，全固態是車載激光雷達的技術發展趨勢；第三，未來的車載激光雷達須具備小型化和輕量化的特點；第四，環境適應和抗干擾能力是未來激光雷達技術發展需要克服的瓶頸。圖2-39所示為激光雷達的發展趨勢。