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標簽 > 激光雷達
激光雷達最大的優(yōu)點在于它能直接提供距離信息。平常我們看到的照片或者視頻是一個平面，這是XY二維空間，但是駕駛員最關心是距離，即Z坐標，這就屬于三維。
激光雷達，是以發(fā)射激光束探測目標的位置、速度等特征量的雷達系統(tǒng)。其工作原理是向目標發(fā)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(fā)射信號進行比較，作適當處理后，就可獲得目標的有關信息，如目標距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù)，從而對飛機、導彈等目標進行探測、跟蹤和識別。它由激光發(fā)射機、光學接收機、轉(zhuǎn)臺和信息處理系統(tǒng)等組成，激光器將電脈沖變成光脈沖發(fā)射出去，光接收機再把從目標反射回來的光脈沖還原成電脈沖，送到顯示器。
激光雷達，是以發(fā)射激光束探測目標的位置、速度等特征量的雷達系統(tǒng)。其工作原理是向目標發(fā)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(fā)射信號進行比較，作適當處理后，就可獲得目標的有關信息，如目標距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù)，從而對飛機、導彈等目標進行探測、跟蹤和識別。它由激光發(fā)射機、光學接收機、轉(zhuǎn)臺和信息處理系統(tǒng)等組成，激光器將電脈沖變成光脈沖發(fā)射出去，光接收機再把從目標反射回來的光脈沖還原成電脈沖，送到顯示器。
激光雷達的原理
激光雷達工作原理也不難理解，就是發(fā)射和接收激光束。在激光雷達的內(nèi)部，每一組組件都包含一個發(fā)射單元與接收單元。我們拿激光雷達領域最有名的公司Velodyne的旋轉(zhuǎn)鏡面設計圖來說明。
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激光雷達工作原理
這套發(fā)射/接收組件和旋轉(zhuǎn)鏡面結(jié)合在一起，能掃描至少一個平面。鏡面不只反射二極管發(fā)出去的光，而且也能把反射回來的光再反射給接收器。通過旋轉(zhuǎn)鏡面，能夠?qū)崿F(xiàn) 90到180度的視角，并且大大降低系統(tǒng)設計和制造的復雜度，因為鏡面是這里面唯一的運動機構(gòu)。
探測距離的原理是基于光返回的時間，激光二極管發(fā)出脈沖光，脈沖光照射到目標物后反射一部分光回來，在二極管附近安裝一個光子探測器，它可以探測出返回來的信號，通過計算發(fā)射和探測的時間差就可以計算出目標物的距離。脈沖距離測量系統(tǒng)一旦被激活就能收集到大量的點云。
如果點云中有目標物，目標物就會在點云中呈現(xiàn)出一個陰影。通過這個陰影可以測量出目標物的距離和大小。通過點云可以生成周圍環(huán)境的3D圖像。點云密度越高，圖像越清晰。
激光雷達的優(yōu)點
與普通微波雷達相比，激光雷達由于使用的是激光束，工作頻率較微波高了許多，因此帶來了很多優(yōu)點，主要有：
（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（這是微波雷達無論如何也辦不到的），并可同時跟蹤多個目標；距離分辨率可達0.lm；速度分辨率能達到10m/s以內(nèi)。距離和速度分辨率高，意味著可以利用距離——多譜勒成像技術來獲得目標的清晰圖像。分辨率高，是激光雷達的最顯著的優(yōu)點，其多數(shù)應用都是基于此。
?。?）隱蔽性好、抗有源干擾能力強
激光直線傳播、方向性好、光束非常窄，只有在其傳播路徑上才能接收到，因此敵方截獲非常困難，且激光雷達的發(fā)射系統(tǒng)（發(fā)射望遠鏡）口徑很小，可接收區(qū)域窄，有意發(fā)射的激光干擾信號進入接收機的概率極低；另外，與微波雷達易受自然界廣泛存在的電磁波影響的情況不同，自然界中能對激光雷達起干擾作用的信號源不多，因此激光雷達抗有源干擾的能力很強，適于工作在日益復雜和激烈的信息戰(zhàn)環(huán)境中。
?。?）低空探測性能好
微波雷達由于存在各種地物回波的影響，低空存在有一定區(qū)域的盲區(qū)（無法探測的區(qū)域）。而對于激光雷達來說，只有被照射的目標才會產(chǎn)生反射，完全不存在地物回波的影響，因此可以“零高度”工作，低空探測性能較微波雷達強了許多。
?。?）體積小、質(zhì)量輕
通常普通微波雷達的體積龐大，整套系統(tǒng)質(zhì)量數(shù)以噸記，光天線口徑就達幾米甚至幾十米。而激光雷達就要輕便、靈巧得多，發(fā)射望遠鏡的口徑一般只有厘米級，整套系統(tǒng)的質(zhì)量最小的只有幾十公斤，架設、拆收都很簡便。而且激光雷達的結(jié)構(gòu)相對簡單，維修方便，操縱容易，價格也較低。
激光雷達的缺點
首先，工作時受天氣和大氣影響大。激光一般在晴朗的天氣里衰減較小，傳播距離較遠。而在大雨、濃煙、濃霧等壞天氣里，衰減急劇加大，傳播距離大受影響。如工作波長為10.6μm的co2激光，是所有激光中大氣傳輸性能較好的，在壞天氣的衰減是晴天的6倍。地面或低空使用的co2激光雷達的作用距離，晴天為10—20km，而壞天氣則降至1 km以內(nèi)。而且，大氣環(huán)流還會使激光光束發(fā)生畸變、抖動，直接影響激光雷達的測量精度。
其次，由于激光雷達的波束極窄，在空間搜索目標非常困難，直接影響對非合作目標的截獲概率和探測效率，只能在較小的范圍內(nèi)搜索、捕獲目標，因而激光雷達較少單獨直接應用于戰(zhàn)場進行目標探測和搜索。
激光雷達的特點及用途
激光雷達的用途
直升機障礙物規(guī)避激光雷達
化學戰(zhàn)劑探測激光雷達
機載海洋激光雷達
成像激光雷達可水下探物
無人駕駛激光雷達
目前激光雷達的發(fā)展情況
劉博：從應用來看，激光雷達的種類繁多，可用于多種形式的探測。
最早成熟的激光雷達技術是用于探測臭氧、二氧化硫、氣溶膠等的大氣探測激光雷達。2016年，在天宮二號和神舟11號的交匯對接中，利用激光雷達在兩個航天器對接過程中測量相對位置、角度等，保證精準對接;還有我國發(fā)射的嫦娥三號上，在降落前用來掃描下方地貌，探測障礙物，這個屬于探測地形地障類的激光雷達。
近幾年，隨著人工智能的發(fā)展，自動駕駛、輔助駕駛的興起，推動了激光雷達在民用領域中的應用。
從技術原理來看，用于民用的激光雷達主要有兩種類型：
第一種是多束激光并排繞軸旋轉(zhuǎn)360o，每束激光掃描一個平面。早期的激光雷達為64線（即64束激光），那時已滿足自動駕駛的需求，但因成本高達7萬美元，未被市場接受。后來為了降低成本，有公司推出了32線、16線的激光雷達。但是成本的降低帶來的是分辨率的下降，這就容易在車輛駕駛過程中檢測障礙物時產(chǎn)生盲點，帶來安全隱患。
第二種是固態(tài)激光雷達。這種技術以美國Quanergy Systems公司的固態(tài)激光雷達傳感器S3為首，采用相控陣掃描方式，并不是常用的機械掃描方式。它不像第一種技術會產(chǎn)生機械運動，可以大幅降低生產(chǎn)成本。但目前技術并不成熟，離產(chǎn)品市場化還有一段距離。
有行業(yè)人士認為，中國五年內(nèi)會改寫激光雷達的格局。您怎么看？
劉博：這是一個比較樂觀的宣傳。激光雷達最大的優(yōu)點在于它能直接提供距離信息。平常我們看到的照片或者視頻是一個平面，這是XY二維空間，但是駕駛員最關心是距離，即Z坐標，這就屬于三維。
國內(nèi)已有企業(yè)正在合作研究自動駕駛激光雷達，也有一些公司推出了產(chǎn)品，但是實際應用效果如何，目前尚未看到成效。我國用于自動駕駛的激光雷達的研究處于剛剛起步的階段。
自動駕駛的最大賣點在于可以把道路駕駛的事故率理論上降到零。因為自動駕駛都是由計算機控制的，如果系統(tǒng)不出現(xiàn)故障，那么他就會嚴格遵守交通規(guī)則，不會出現(xiàn)走神、酒駕等狀況。但是一旦出現(xiàn)問題，例如之前的特斯拉事件，就會對自動駕駛造成很大的打擊。
激光雷達的光源有三種：二氧化碳激光器、半導體激光器和全固態(tài)激光器。您認為哪種激光器光源最有前途？
劉博：肯定是半導體激光器作為光源潛力最大。因為半導體激光器尺寸可以做到很小，成本比較低，符合作為汽車配置的需求?，F(xiàn)在我們看到的安裝在無人駕駛車頂?shù)哪切┘す饫走_，例如Velodyne，最早并不是為自動駕駛而設計的，只不過自動駕駛正好用到了其中的一些功能，例如360o掃描。
百度無人駕駛測試車使用了Velodyne的64線激光雷達
我認為，真正實用化后，這些都應該集成到汽車的內(nèi)部，例如集成到車燈的位置，半導體激光器恰巧可以滿足這一條件。我相信最終成熟的樣式也一定是這樣的。
國產(chǎn)激光雷達與國外差距有多大
劉博：從技術上來說，我國民用激光雷達與國外技術相比并沒有太多差距。差距可能是在產(chǎn)業(yè)化和研發(fā)等方面，或者說別人早走了一段時間，而我國剛剛開始做。
我曾與國內(nèi)很多專家聊過。嚴格來說，現(xiàn)在市場上的激光雷達沒有一款是在誕生之初就專為自動駕駛優(yōu)化設計的。國內(nèi)很多激光雷達廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品外形和性能都是模仿美國Velodyne公司產(chǎn)品的設計。然而Velodyne公司早期主營音響業(yè)務，后技術升級，才開發(fā)了激光雷達技術LiDAR并名聲大噪。但是它有些指標超出了普通汽車的要求，帶來了高成本，而有些必需的指標又沒有達到。
其實，我現(xiàn)在課題組正在做的工作之一就是從實際應用出發(fā)設計激光雷達系統(tǒng)。從2016年開始我們正在從事這個方向的研究，并與最終用戶和一些車主進行了廣泛溝通，了解他們的需求。我們希望推出一款純粹為了自動駕駛而優(yōu)化設計的激光雷達。這樣的話能節(jié)省的地方盡量節(jié)省，降低成本，不能節(jié)省的地方，提高指標，提升安全性。
激光雷達技術推廣到民用階段還需要多久的時間
劉博：應該用不了太久。根據(jù)“2016中國汽車工程學會年會”正式公開的節(jié)能與新能源汽車技術路線圖的規(guī)劃，智能網(wǎng)聯(lián)汽車的市占率將實現(xiàn)2020年駕駛輔助與部分自動駕駛市占率50%，2025年高度自動駕駛市占率15%，2030年完全自動駕駛市占率10%。我認為，5年內(nèi)市場上會推出各種各樣針對自動駕駛的激光雷達產(chǎn)品。
您認為激光雷達的市場前景如何
劉博：激光雷達的市場非常大，而且很多同仁都在從事該領域的研究和開發(fā)。其實激光雷達最大的市場并不是自動駕駛領域，而是用在服務類機器人的機器視覺上。無人機、服務類機器人，還有一些娛樂項目中進行距離傳感捕捉的，這些方面的激光雷達市場會更大。目前國內(nèi)的一些高校、科研院所以及百度、華為等大型IT公司，產(chǎn)學研企都在研究。
我認為最終產(chǎn)品的開發(fā)模式，還是應遵循研發(fā)端、用戶端與市場，三方緊密結(jié)合，從最初的設計入手，這樣推出的產(chǎn)品才能平衡各方所需，發(fā)揮它的最大價值。
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