激光雷達技術(shù)及其在自動駕駛領(lǐng)域的應用

梁冬梅

摘 要：激光雷達是一項主動式的現(xiàn)代光學測量技術(shù)，將傳統(tǒng)雷達技術(shù)與激光技術(shù)相結(jié)合形成的新技術(shù)。由于激光具有高亮度性、高方向性、高單色性和高相干性等特點，因此激光雷達具有一系列獨特的優(yōu)點：角分辨率高、距離分辨率高、速度分辨率高、測速范圍廣、能獲得目標的多種圖像、抗干擾能力強。鑒于此，本文對激光雷達技術(shù)及其在自動駕駛領(lǐng)域的應用進行分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：激光雷達;自動駕駛;應用

0 引言

自動駕駛技術(shù)綜合了當今汽車電子、傳感器、計算機及人工智能技術(shù)，為當今汽車技術(shù)革的前沿和研究熱點之一，其技術(shù)突破必將為現(xiàn)代汽車技術(shù)帶來革命性的變化，從根本上解放駕駛員，極大提高駕駛舒適性、安全性、可靠性，必將產(chǎn)生強大市場競爭力，成為汽車經(jīng)濟新的增長點。在對汽車自動駕駛理念、組成、原理和關(guān)鍵技術(shù)深刻認識基礎上，運用系統(tǒng)化、集成化、模塊化等先進理念開發(fā)，必將促進汽車自動駕駛技術(shù)的大發(fā)展，為汽車工業(yè)繁榮迎來光明的未來。

1 激光雷達分析

激光雷達工作時，首先由發(fā)射機發(fā)射一束特定功率的激光束，經(jīng)過空氣傳輸輻射到目標表面上，反射的回波由接收裝置接收，再對回波信號進行處理，提取有用信息。通過測量反射、散射回波信號的時間間隔、頻率變化、波束所指方向等就可以確定目標的距離、方位和速度等信息，然后結(jié)合激光器本身的位置信息和姿態(tài)角度信息，準確計算出目標表面回波點的三維坐標。若激光束不斷地掃描目標物，就可以得到目標物上全部目標點的數(shù)據(jù)，用此數(shù)據(jù)進行成像處理后，就可得到精確的三維立體圖像。至于目標的徑向速度，可以由反射光的多普勒頻移來確定。

（1）數(shù)據(jù)密度大。激光波束窄，探測次數(shù)多，因而采集數(shù)據(jù)量更大。每秒可測量數(shù)十萬個點，對真實物體表面（如地面）的還原和建模帶來極大方便。同時，可調(diào)節(jié)點采集間隔，大大提高了適用性和工作效率。

（2）植被穿透能力強。激光在植被中傳播時，可以在樹冠、樹枝、地面等多個高程發(fā)生反射，從而得到多次回波數(shù)，這是其他雷達所不具備的優(yōu)勢。特別是得到的地面回波數(shù)據(jù)，有效克服了植被影響，使精確探測地面真實地形成為可能。

（3）體積小、重量輕、作業(yè)效率高。激光雷達發(fā)射口徑只有幾厘米，重量小的可以單人手持使用，相較其他雷達設備要輕便、靈巧得多，不但可以大量節(jié)約人力、物力資源，而且可以使工作變得更加簡單快捷，可應用的領(lǐng)域也更廣。

2 自動駕駛關(guān)鍵技術(shù)

（1）環(huán)境感知技術(shù)。環(huán)境感知技術(shù)就像人類駕駛員“眼睛”、“耳朵”的作用，分為宏觀環(huán)境感知、周圍環(huán)境感知和行駛狀態(tài)信息感知。宏觀環(huán)境感知主要利用V2X和5G網(wǎng)絡等獲取汽車所處的交通環(huán)境信息（地圖、行駛路線、車輛人流密度分布等）;周圍環(huán)境感知利用攝像機、激光雷達、毫米波雷達、超聲波等車載傳感器獲取限制物、障礙物信息（前后其他車輛、人流、周圍建筑物、構(gòu)筑物等）;行駛狀態(tài)信息感知主要是汽車自身的速度、加速度、油門、功率等汽車自身狀態(tài)信息傳感器獲取的信息。

（2）高精地圖與車聯(lián)網(wǎng)V2X。高精地圖精度比傳統(tǒng)地圖高十倍以上，可以達到厘米級精度，提供的車輛位置信息、路面特征信息、道路數(shù)據(jù)信息更加精確。同時，高精地圖為實時地圖，能夠及時適應道路路網(wǎng)的變化。V2X即VehicletoX，其中V即車輛，X是未知量，可以表示基礎設施、行人、互聯(lián)網(wǎng)、車輛等，衍生出V2N（車-互聯(lián)網(wǎng)）、V2V（車-車）、V2I（車-基礎設施）和V2P（車-行人）四類互聯(lián)互通技術(shù)。

3 激光雷達的應用

（1）大氣環(huán)境監(jiān)測中的應用。由于激光器具有探測波長、光束定向強和能量密度高的特點，因此最初廣泛地用于測量大氣參數(shù)，如云高和密度、云粒特性、微量氣體濃度、溫度和濕度、氣壓、風場等。氣象激光雷達包括彈性反向散射激光雷達、差分吸收激光雷達、拉曼激光雷達和多普勒激光雷達。其使用形式分為底座（Ground-based）和機載（Air-borne）。在激光雷達位于地面時，首先可以利用大氣反向散射直接測量云粒和氣溶膠的分布，其次，在特殊波長和極化情況下，可以測量風場或滾子熱晶狀態(tài)，此外，還可以通過測量反向散射光的頻率來測量光束方向的溫度和風速。機載激光雷達通常采用差分吸收法調(diào)制波長到可測量氣體成分的激光吸收線，使用兩個或兩個以上的波長接近間隔，分解地球表面反射率以及其他傳輸損失，測量地球表面與不同激光波長相碰撞的表面反射率，從而確定大氣中相關(guān)氣體成分的混合比例，這通常用于測量二氧化碳、甲烷、臭氧等氣體。

（2）智能汽車及智慧交通領(lǐng)域中的應用。激光雷達在智能車輛的輔助駕駛和安全方面發(fā)揮了重要作用，包括自動停車系統(tǒng)、自動游船系統(tǒng)、輔助緊急制動系統(tǒng)、無人駕駛系統(tǒng)等。在自動停車系統(tǒng)中，激光雷達安裝在車頂或車身上，為期四周，用于檢測停車位、觀察周圍車輛和其他障礙物，從而確保車輛控制決策系統(tǒng)的環(huán)境輸入。在無人駕駛系統(tǒng)中，環(huán)境感知需要整合多個傳感器的數(shù)據(jù)，激光雷達為制作高精度三維自動駕駛圖提供了重要和詳細的環(huán)境信息。在智能運輸領(lǐng)域，激光雷達用于交通監(jiān)測系統(tǒng)、交通執(zhí)法系統(tǒng)、自動電子支付系統(tǒng)。利用激光雷達進行交通監(jiān)測可以獲得比視頻監(jiān)測更精確的交通點云數(shù)據(jù)，通過分析大量交通數(shù)據(jù)智能控制交通信號，調(diào)度車流。

4 結(jié)束語

目前市場上激光雷達產(chǎn)品種類眾多，按激光掃描線數(shù)可分為單線激光雷達和多線激光雷達，按雷達掃描原理分為旋轉(zhuǎn)式激光雷達和固態(tài)激光雷達。其中單線激光雷達主要應用于服務機器人，如常見的掃地機器人，其具有掃描速度快、可靠性高、分辨率強、成本低等優(yōu)點，但由于單線激光雷達只具有單頻點激光的單路發(fā)射器和單路接收器，且多采用機械旋轉(zhuǎn)式掃描，在應用中有一定局限性，不適合復雜場景。而多線激光雷達具有多激光光束，且多采用非機械掃描的固態(tài)相控陣掃描方式，具有更強的環(huán)境感知能力。多線激光雷達主要應用于無人駕駛汽車，可以實現(xiàn)實時多物體運動軌跡跟蹤，獲取周圍環(huán)境點云構(gòu)建3D環(huán)境模型。但是目前激光雷達較高的技術(shù)壁壘和成本價格，使其市場推廣和產(chǎn)品落地受阻。激光雷達的成本控制是其未來發(fā)展的主要趨勢，未來更多供應商的加入勢必會推動激光雷達解決方案的落地，以及成本的降低。

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