車載導航激光雷達技術研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢

常穎?李萌?彭鳳超 任華軍

摘要：激光雷達是實現(xiàn)無人駕駛汽車的重要傳感器，由于其功能特性可以在復雜環(huán)境的感知中起到關鍵作用，越來越受高度重視。通過對現(xiàn)有激光雷達的系統(tǒng)組成與工作原理描述，介紹了車載導航激光雷達分類和技術特點，分析了激光雷達在國內外研究現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)，最后總結了激光雷達后續(xù)發(fā)展趨勢，文章可以作為相關技術應用有益參考。

關鍵詞：無人駕駛;激光雷達;環(huán)境感知;發(fā)展趨勢

一.概述

自2017年開始，自動駕駛進入高速發(fā)展快車道，全球各大汽車廠商、互聯(lián)網(wǎng)公司、新興造車企業(yè)相繼推出自動駕駛計劃，有機構預測到2035年全球無人駕駛汽車銷量將達到2100萬輛.激光雷達作為無人車的“眼睛”，作為無人車上最重要的傳感器之一，隨著自動駕駛產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，近年來出現(xiàn)了井噴式的需求，并極大地影響著無人車的發(fā)展。

激光雷達能夠及時精確測量無人車周邊一定距離內的三維環(huán)境信息，并上傳至載車控制系統(tǒng)，實現(xiàn)周圍地物目標高精度三維信息測量、路面分割、車道線檢測、障礙物探測識別、路徑規(guī)劃等。激光雷達由于具有高精度、高分辨率的優(yōu)勢，已經(jīng)成為目前主流無人駕駛技術中必備的傳感器。

二.系統(tǒng)組成和工作原理

激光雷達英文名稱為LiDAR（Light Detection and Ranging），也稱Laser Radar或LADAR （Laser Detection and Ranging）。從功能層面劃分，車載激光雷達組成如圖1所示，由激光發(fā)射組件、激光接收組件、信息處理組件、收發(fā)光學組件、伺服控制組件、數(shù)傳組件、供電組件組成。激光雷達系統(tǒng)的核心組件主要有激光器、掃描器及光學組件、光電探測器及接收電路等，可提供高分辨率的幾何圖像、距離圖像、強度圖像。

其工作原理是飛行時間法，即根據(jù)激光遇到障礙物后的折返時間，計算目標與自己的相對距離。激光光束可以準確測量視場中物體輪廓邊沿與設備間的相對距離，輪廓信息組成點云并繪制出3D環(huán)境地圖，精度可達到厘米級別，其激光測距原理如圖2所示。

在先進駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）系統(tǒng)中，激光雷達通過透鏡、激光發(fā)射及接收裝置，基于TOF飛行時間原理獲得目標物體位置、移動速度等特征數(shù)據(jù)并將其傳輸給數(shù)據(jù)處理器;同時，汽車的速度、加速度、方向等特征數(shù)據(jù)也將通過CAN總線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理器;數(shù)據(jù)處理器對目標物體及汽車本身的信息數(shù)據(jù)進行綜合處理并根據(jù)處理結果發(fā)出相應的被動警告指令或主動控制指令，以此實現(xiàn)輔助駕駛功能。

三.優(yōu)勢

根據(jù)環(huán)境感知激光雷達的任務分析以及實用化的考慮，環(huán)境感知激光雷達具有如下優(yōu)勢：

1、精細性測量

為規(guī)劃行車路線，激光雷達具有對戰(zhàn)車周邊環(huán)境精細的三維測量，包括路況及路面上的各類物體，以滿足戰(zhàn)車通過性路徑選擇的需求。激光雷達工作于光學波段，頻率比微波高2-3個數(shù)量級以上，可同時跟蹤多個目標，因此，激光雷達具有極高的距離分辨率、角分辨率和速度分辨率。

2、遠距離實時性測量

為保證一定行車速度下的行車安全，激光雷達具備遠距離測量能力，具有較高的數(shù)據(jù)刷新率，實時提供載車周邊環(huán)境信息，可直接獲取目標的距離、角度、速度等信息，生成目標的多維度圖像，使得整個畫面更加直觀。

3、高可靠性

激光屬于直線傳播、方向性好、光速非常窄，只有在其傳播路徑上才能接收到，所以干擾信號也很難進入激光雷達的接收機，另外，對于激光雷達而言，只有被照射的目標才會產(chǎn)生反射，完全不會受地物回波的影響，因此可探測低空/超低空目標，探測概率遠高于微波雷達。

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本身的輻射特性，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信息。它顛覆傳統(tǒng)了二維投影成像模式，可采集目標表面深度信息，為目標探測、識別、跟蹤等數(shù)據(jù)處理提供充分的信息支持、降低算法難度。

四.國內外研究現(xiàn)狀

車載導航激光雷達在過去幾年中已經(jīng)成為光電子領域最受爭議的熱門應用之一，由于其在環(huán)境感知、避障、自主導航、無人駕駛領域潛在的巨大應用價值，國內外數(shù)十家研究機構和企業(yè)都在依托微波雷達、相機和激光雷達等技術，紛紛進軍車用激光雷達領域。

車用激光雷達其主要技術特點是多通道（線）掃描?？梢园凑占す馐ň€）分為1線、4線、8線、16 線、32線或64線激光雷達傳感器，多個激光束在豎直方向沿不同角度發(fā)出，經(jīng)水平方向掃描實現(xiàn)對目標區(qū)域三維輪廓探測。多個測量通道（線）相當于多個傾角的掃描平面，因此垂直視場內激光線越多其豎直方向的角分辨率就越高，激光點云密度就越大。1-4線短測距的激光雷達主要作為移動機器人的三維環(huán)境探測傳感器——“眼睛”，具備高度機動能力的智能車輛的“眼睛”則需要更長測程、更多線數(shù)（8線、16線甚至更多）。

目前國內外已有多家廠商從事導航激光雷達的研究生產(chǎn)，商用車載導航激光雷達主要廠商包括Velodyne、Quanergy、IBEO、Innoviz、LeddarTech、TriLumina、Ouster等。國內民用產(chǎn)品研制單位有杭州巨星、廣州中海達、速騰聚創(chuàng)、上海禾賽等公司。Velodyne、Quanergy激光雷達主要用于自動駕駛汽車導航;IBEO的激光雷達受限于線型和精度，主要應用于高級駕駛輔助系統(tǒng)。激光雷達按有無機械旋轉部件可分為3類：

1、機械式激光雷達：指發(fā)射和接收系統(tǒng)存在宏觀意義上的轉動，通過不斷旋轉發(fā)射頭，將速度更快、發(fā)射更準的激光從“線”變成“面”，并在豎直方向上排布多束激光，形成多個面進而達到動態(tài)3D掃描并動態(tài)接收信息的目的。機械式激光雷達作為在自動駕駛車輛上最先應用的產(chǎn)品，具有掃描速度快、接收視場小、可承受高的激光功率等優(yōu)點，但是結構笨重、重量和體積較大、裝調工作復雜、可靠性差和價格高昂的缺點制約了其在自動駕駛領域的發(fā)展空間。圖3中左一是Velodyne公司第一代機械激光雷達HDL-64E。

2、混合固態(tài)激光雷達：內部兼具“固態(tài)”和“運動”兩種屬性，僅需要一束激光光源，通過MEMS掃描鏡反射激光光線并采用微秒級的頻率協(xié)同工作，探測器接收后達到對目標3D掃描的目的?；旌瞎虘B(tài)激光雷達相較采用多組芯片組的機械式激光雷達，體積更小、成本更低、可靠性更高、探測距離更遠。在2016年1月的美國CES消費電子展上，Velodyne發(fā)布了其第一款汽車專用的3D激光雷達——混合固態(tài)超級冰球，這款產(chǎn)品為32線束激光雷達，體積小巧、便于汽車安裝攜帶，同時價格低廉，性價比較高。

3、全固態(tài)激光雷達：內部沒有任何宏觀或微觀上的運動部件，目前市場上主要的全固態(tài)激光雷達產(chǎn)品有光學相控陣激光雷達、調頻連續(xù)波激光雷達、納米天線陣列激光雷達和泛光面陣式激光雷達。全球領先的固態(tài)激光雷達傳感器和智能傳感解決方案提供商Quanergy Systems提供的S3是全球首款汽車級固態(tài)激光雷達系統(tǒng)，如圖4所示。通過發(fā)射器、接收器和信號處理器三個主要組件的交互，S3每秒生成五十萬個數(shù)據(jù)點。激光器在水平120°內發(fā)射平行光脈沖，光接收器探測反射光脈沖。通過在各個方向掃描，S3在車輛周圍創(chuàng)建出實時3D視圖，以檢測、分類和跟蹤場景中的對象。全固態(tài)激光雷達耐久性、可靠性最佳，符合自動駕駛對雷達固態(tài)化、小型化和低成本化的需求，成為未來技術演進的終極方向。

五.面臨的挑戰(zhàn)

隨著自動駕駛技術的快速發(fā)展，激光雷達愈發(fā)扮演重要的角色，但對近年來國內外各類車載激光探測系統(tǒng)的發(fā)展應用情況的綜合分析，可以發(fā)現(xiàn)國內在該領域的應用研究還存在一定差距，尤其在軍用無人車載激光雷達領域，與國外發(fā)展相比，國內研究還面臨以下挑戰(zhàn)：

1、激光雷達設備成本較高，規(guī)?；⑴炕a(chǎn)能力較弱。目前激光雷達系統(tǒng)設備的生產(chǎn)加工往往為按訂單生產(chǎn)或小批量加工方式，自動化水平較低，生產(chǎn)、裝配成本較高，導致其在相關領域應用普及較慢，還不能滿足應用快速發(fā)展的需求。

2、多數(shù)研究專注于規(guī)范化道路目標的無人自主行駛識別方面，對越野環(huán)境無人駕駛目標感知探測方面的研究未能深入。一些工作側重于方案設計、算法研究，沒有實物場景探測方面的試驗研究;

3、環(huán)境適應能力是未來激光雷達技術發(fā)展需要克服的瓶頸。激光雷達可以做到全天時工作，但大氣環(huán)境對激光雷達性能造成影響，大雨會吸收激光脈沖，而大霧會造成激光脈沖發(fā)射，從而對激光雷達造成影響。

4、黑客攻擊。激光雷達發(fā)出去的激光本身是沒有編碼的。所以接收器自己本身是沒辦法識別到底這束光線是它隔壁發(fā)射器發(fā)射出去的還是干擾信號。黑客攻擊指的是采取模擬車輛、行人的信號，反饋給激光雷達造成周圍存在障礙物假象的攻擊手法。最終會導致汽車被強制減速或者剎車。

六.發(fā)展趨勢

為迎合當前軍事應用的迫切需求，必須盡快加大牽引力度，全面推動無人車載激光雷達技術的研究工作，縮短差距，盡快實現(xiàn)相關裝備的工程化應用。從國內外主流廠商的產(chǎn)品研究應用計劃分析，車載激光雷達發(fā)展趨勢如下：

1、全固態(tài)化

全固態(tài)掃描車載激光雷達的技術發(fā)展趨勢，全固態(tài)掃描的目標就是。產(chǎn)品固態(tài)化是提高激光雷達可靠性、環(huán)境適應性，并降低激光雷達成本價格的必由之路。固態(tài)激光雷達異軍突起，成為各大企業(yè)爭相研發(fā)和布局的領域。固態(tài)激光雷達系統(tǒng)使用激光掃描儀生成環(huán)境3D圖像，并自動處理此3D圖像，以執(zhí)行監(jiān)視、警告、制動和轉向等任務。固態(tài)激光雷達市場的增長可歸功于汽車行業(yè)的發(fā)展，特別是針對無人駕駛汽車和先進駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的應用。此外，低成本化將是國產(chǎn)激光雷達發(fā)展的必然趨勢。

2、小型化和低成本化

緊湊輕小是激光雷達設備的發(fā)展趨勢。未來的智能車用激光雷達可能像車燈一樣分布在汽車四周——共同實現(xiàn)汽車周邊監(jiān)控或探測。局部視場（如110°），8、16或32線激光雷達有利于嵌入汽車車身進行整車集成，也是一重要發(fā)展方向;目前激光雷達較高的技術壁壘和成本價格，使其市場推廣和產(chǎn)品落地受阻。無人駕駛汽車技術的發(fā)展對小型化、低成本激光雷達的需求提出了更高的要求。這些需求成為推動激光雷達設備進一步小型化和低成本化的動力。

3、多線化

從當前市場上較常見的車載激光雷達來看，機械式多線束激光雷達是主流方案，主要有4線/8線/16線/32線的，最高級別的64線和128線產(chǎn)品。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)境點云構建3D環(huán)境模型。根據(jù)激光雷達的工作原理可知，激光雷達線束越多，視線越密集，測量的精準度、分辨率和安全性也就越高。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，因此，激光雷達的多線化也將是未來發(fā)展的趨勢之一。

4、技術指標的不斷提高

激光雷達的測程、視場覆蓋和測量網(wǎng)格密度是評價激光雷達技術能力的主要技術參數(shù)，也是激光雷達的主要應用技術指標，激光雷達技術及產(chǎn)品的發(fā)展必然伴隨著上述技術指標的不斷提高。激光器性能和數(shù)據(jù)采集效率還有待進一步提升。隨著用戶對大區(qū)域高密度點云的需求持續(xù)擴大，需要在獲取高密度點云時保證較高的數(shù)據(jù)采集效率。然而，由于激光器性能限制，目前激光器探測能力已經(jīng)逐漸逼近探測極限。因此，改進探測器的性能成為當務之急。單光子/量子成像激光雷達將成為未來激光雷達未來發(fā)展的重要方向。

5、數(shù)據(jù)后處理軟件的成熟度

在數(shù)據(jù)后處理軟件的成熟度方面，當前點云數(shù)據(jù)處理還處在發(fā)展完善階段，尤其是面向終端用戶滿足行業(yè)應用需求的定制化軟件還處在不斷發(fā)展完善中。隨著激光雷達企業(yè)的競爭加劇，軟件和硬件技術的有效結合才能更快地推進產(chǎn)品落地應用。

七.結語

車載激光雷達近幾年發(fā)展迅速，相比國際產(chǎn)品性能，國產(chǎn)激光雷達技術仍需持續(xù)攻堅投入。激光雷達在自動駕駛領域受到了極大的關注，不僅提高了汽車的輔助性安全性，更為今后無人駕駛的實現(xiàn)提供可能。未來在各方企業(yè)和科研單位的推動下，車載激光雷達技術將會得到進一步發(fā)展，同時將會應用到更多不同的場景和領域。

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作者簡介：

常穎（1987—），女，漢族，河南鄭州，中國電科27所，工程師，碩士，研究方向：情報研究。