激光雷達技術及其在自動駕駛領域的應用

梁冬梅

摘 要：激光雷達是一項主動式的現代光學測量技術，將傳統雷達技術與激光技術相結合形成的新技術。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及其在自動駕駛領域的應用進行分析，以供參考。

關鍵詞：激光雷達;自動駕駛;應用

0 引言

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

1 激光雷達分析

激光雷達工作時，首先由發射機發射一束特定功率的激光束，經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，然后結合激光器本身的位置信息和姿態角度信息，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據，用此數據進行成像處理后，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）數據密度大。激光波束窄，探測次數多，因而采集數據量更大。每秒可測量數十萬個點，對真實物體表面（如地面）的還原和建模帶來極大方便。同時，可調節點采集間隔，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、地面等多個高程發生反射，從而得到多次回波數，這是其他雷達所不具備的優勢。特別是得到的地面回波數據，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、作業效率高。激光雷達發射口徑只有幾厘米，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，可應用的領域也更廣。

2 自動駕駛關鍵技術

（1）環境感知技術。環境感知技術就像人類駕駛員“眼睛”、“耳朵”的作用，分為宏觀環境感知、周圍環境感知和行駛狀態信息感知。宏觀環境感知主要利用V2X和5G網絡等獲取汽車所處的交通環境信息（地圖、行駛路線、車輛人流密度分布等）;周圍環境感知利用攝像機、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、構筑物等）;行駛狀態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信息傳感器獲取的信息。

（2）高精地圖與車聯網V2X。高精地圖精度比傳統地圖高十倍以上，可以達到厘米級精度，提供的車輛位置信息、路面特征信息、道路數據信息更加精確。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、互聯網、車輛等，衍生出V2N（車-互聯網）、V2V（車-車）、V2I（車-基礎設施）和V2P（車-行人）四類互聯互通技術。

3 激光雷達的應用

（1）大氣環境監測中的應用。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，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，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揮了重要作用，包括自動停車系統、自動游船系統、輔助緊急制動系統、無人駕駛系統等。在自動停車系統中，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的環境輸入。在無人駕駛系統中，環境感知需要整合多個傳感器的數據，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境信息。在智能運輸領域，激光雷達用于交通監測系統、交通執法系統、自動電子支付系統。利用激光雷達進行交通監測可以獲得比視頻監測更精確的交通點云數據，通過分析大量交通數據智能控制交通信號，調度車流。

4 結束語

目前市場上激光雷達產品種類眾多，按激光掃描線數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式激光雷達和固態激光雷達。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、成本低等優點，但由于單線激光雷達只具有單頻點激光的單路發射器和單路接收器，且多采用機械旋轉式掃描，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相控陣掃描方式，具有更強的環境感知能力。多線激光雷達主要應用于無人駕駛汽車，可以實現實時多物體運動軌跡跟蹤，獲取周圍環境點云構建3D環境模型。但是目前激光雷達較高的技術壁壘和成本價格，使其市場推廣和產品落地受阻。激光雷達的成本控制是其未來發展的主要趨勢，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。

參考文獻：

[1]劉建偉.多路徑激光雷達三維數據處理技術研究[D].電子科技大學，2018.

[2]黃偉.自動駕駛汽車傳感器技術產業分析[J].信息通信技術與政策，2018（08）：40-44.

[3]楊艷，高玉英.智能網聯產業鏈分析——激光雷達成關鍵部件[J].汽車與配件，2018（18）：56-61.