智能汽車激光雷達感知技術現狀與發展分析

羅 騫，金琦珺

（武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢430070）

首先對激光雷達的定義、作用、構成進行了介紹，并對其工作原理進行了簡單分析，找出了優缺點；闡述了激光雷達在國內外的發展現狀，最后分析了其發展趨勢。

1 概述

激光雷達的運作方式是通過發射出激光來對物品進行一個全方位的描述，構成一個整體情況的分析報告，性質上相當于雷達，具體的運行方式如圖1所示。

圖1激光雷達的運行方式

向需要檢測的物品發射激光束，然后通過對接收到從物品反射回來的數據進行分析比較，進行適當處理后，就可以得到一定的物品相關信息，比如距離、速度、高度、形狀等參數，從而實現對一些目標飛行器的觀察。

激光雷達LIDAR是激光探測及測距系統的簡稱，另外也 稱 為Laser Radar或LADAR（Laser Detection and Ranging）。

將激光發射器作為發射激光的光源，然后運用光電的探測設備作為主動的遙感設備。激光雷達是一種不同于以往的高科技的探測設備，它將激光與光電探測融為一體，共同使用，可以發射并接收處理信息。發射系統也有多種不同的類別，比如人們可以理解的二氧化碳激光器、更為先進的可調節的固體激光器等。而接收系統就比較常規一些，例如可以運用擁有望遠鏡功能和光電探測技術功能的設備進行觀測，人們常見的和可以理解的有半導體光電二極管和紅外射線等。激光雷達通常使用的是脈沖和連續波兩種方式，探測的具體方法可以根據用途的不同而采用不同的方式，例如有瑞麗散射、拉曼散射、熒光等激光雷達。

2 工作原理及特點

2.1 原理

LIDAR是將激光和諸多導航定位系統進行概括的一個系統，可以獲得相對精準的數據，最后形成精確的DEM。將三種技術相結合，可以精確掌握物品存在的形態。目前，人們熟知的數據模型包括地面數字模型和水文模型，兩者的共同特點是都可以通過激光進行探測，因此，它的英文名稱為Light Detection And Ranging（LIDAR）。

激光對于距離的測量和定位具有非常優良的能力，往往可以將范圍縮小到幾厘米之內。對于LIDAR系統的精確度分析，除了要考慮激光的因素外，還要對GPS和IMU測量單元進行考慮。隨著兩者的不斷高速發展，讓LIDAR系統的運用范圍更加精確了，擁有了更多的應用平臺。

LIDAR系統自身攜帶著一個窄帶激光和一個接收系統。它的工作方法就是將光脈沖發出，探測到物品之后反射回來，接收器接收處理，得出信息數據。因為光脈沖的傳播速度為光速，所以在整體的結構中，接收器可以不間斷地接收到物體的信息，從而形成一整個工作流程；又因光速的可測算性，所以經過一定的計算就可以得到物品的距離。同時。通過激光器的測算高度、掃描角度以及GPS定位，可以相對準確地得到一個物品所在方位的X、Y、Z坐標。同時，激光束的發射頻率非常高，在1 s內可以發射幾個到幾萬個脈沖信號，因此，接收器在一定時間內就可以接收大量的數據信息。一般而言，LIDAR系統的地面光斑間距為2～4 m。脈沖測距法如圖2所示，干涉測距法如圖3所示，相位測距法如圖4所示，三角測距法如圖5所示。

圖2脈沖測距法

圖3干涉測距法

圖4相位測距法

圖5三角測距法

2.2 激光雷達的優點

與普通的微波雷達進行比較，激光雷達因為運用的是激光束，所以它的工作效率要高很多，也有很多特點，主要如下。

2.2.1 分辨率高

激光雷達對于物品的角度、距離和速度等各種因素都非常的敏感，對其有較高的精密度。因此，分辨率也會隨之提升。通常范圍內在4 km的距離可以同時對多個目標進行跟蹤分析，并經過計算得出結果。分辨率的速率也大大提升，靈敏度得到了很大的提高。同時，可以獲得很高的清晰度，大大提高了人們對圖像和各項數據的分析能力。

2.2.2 隱蔽性好、抗有源干擾能力強

激光傳播的原理是直線傳播，方向感非常好，光束的距離也很窄，因此，只有在特定的傳播接收路徑上才可以接收到，在此情況下，被敵方識破的可能性就大大降低了，并且激光雷達的整體發射口徑和接收區域都非常的窄，所以干擾信號被接收到的概率很低。另外，自然界中對激光雷達存在干擾的影響元素很少，所以，激光雷達擁有很強的抗干擾能力，可以適用于多種復雜的環境。

2.2.3 低空探測性能好

激光雷達的工作原理為只要照射到物體，物體就會發生反射，不會受到期間一些其他因素的影響，可以在任何高度進行工作，擁有強大的低空探測能力。

2.2.4 體積小、質量輕

與微波雷達動輒數噸重的重量比，激光雷達整體身形要小巧很多，發射設備的直徑一般只有幾厘米，整套系統也只有幾十斤，且拆裝方便，能在任何需要的地點進行架設，操縱起來更加容易一些，且價格很低，可以被大多數人所接受。

2.3 激光雷達的缺點

激光雷達也存在一定的缺陷，首先就是受天氣的影響比較大，在正常晴朗的天氣里，激光的傳播范圍非常遠，不受任何影響，而當遇到一些比較惡劣的天氣時，它的傳播距離就會大打折扣，受到極大的影響。比如工作波長為10.6μm的co2激光，是現有市面上在大氣中傳播性能最好的一種，但在惡劣天氣中它的運行效能會比良好天氣低6倍；激光雷達的波束過于狹窄，所以在搜索目標時就很困難，對于目標的檢測效果和截獲概率大大降低，搜索的范圍變得非常小，所以，激光雷達的使用就只適用于一些特定的小目標。

3 國內外發展現狀

3.1 國外激光雷達研究現狀

20世紀60年代，美國研制出了世界上第一臺紅寶石激光器，主要用于環境感知技術研究，因此，國際上就開始了爭相發展。1961年，美國檢驗并通過了第一臺激光測距儀，并運用于軍事，進入了實際使用階段；1971年，美國軍方使用了AN/GVS3激光測距儀進行軍事觀察用途。

隨著科學技術的發展，激光掃描已經不能滿足點對點的掃描接收要求，進而發展到了二維平面。20世紀90年代，可以對地形的圖像進行成像的激光雷達得到了運用，如1995年美國TopScan公司開發的機載地形測量激光雷達，2003年德國Leica公司研制的ALS50系列地理勘測激光雷達。

近年來，隨著整體科技的發展和人類生活的需要，激光掃描已經逐漸過度到了三維掃描的狀態，并獲得了高速發展，已經實現了商業化，比如法國的TopoSys公司、德國的Sick公司等。其中，美國Velodyne公司的產品性能和精度處于國際領先地位，幾乎成為自動駕駛行業激光雷達選型的黃金標準，其16線、32線、64線產品被廣泛應用在自動駕駛車輛上。無論是國際高校之間流行的自動駕駛研究競賽，還是高科技公司進行的自動駕駛研究，他們都運用到了美國這家公司的激光產品。

3.2 國內激光雷達的發展現狀

與國際水平相比較，中國的整體發展要晚一些，在20世紀80年代，航天工作者研制出激光測距機實現200 m內0.5 m誤差的遠程測距；另一方面，受軍用激光協會的大力支持，國內研制出紅寶石激光人造衛星測距機、用于復雜地形測繪的飛機機載激光航測儀。在2007年以前國內高校及研究院所在激光技術層面有較多積累，但是在激光產品商業化產品化上基本沒有，主要激光應用場景基本依賴國外進口產品。2007年以后，國內激光雷達產品才開始逐漸被應用到軍事、民用以及工業領域。

隨著國內相關技術的發展以及對無人駕駛技術的不斷追求，適應市場需要，國內也出現了幾家激光雷達制造公司，例如北科天繪和雷神科技等，他們的產品也都得到了市場的認可，并逐步使用到無人駕駛汽車中來。但國內產品整體與國際相比，它的精度和穩定性差一些，因此為了適應國際需要，公司需要大力投入以緊跟國際步伐。國內外激光雷達生產廠家如表1所示。

表1國內外激光雷達生產廠家

4 激光雷達發展趨勢

響應速度、驅動電壓、旁瓣壓縮等一些最基礎的科學技術對于激光雷達的影響比較大，分別影響著激光雷達系統的掃描速度和功率等，材料性能的提升也會促進整體的性能提升。同時，對于驅動電壓的縮小對降低系統的整體能耗具有重要的作用。

OPA的旁瓣壓縮技術是通過對整體系統的掃描視角的不斷提升，來獲得更大范圍的掃描，分辨率的不斷提高也可以讓系統獲得更高的清晰度。因為，機械式的激光掃描設備安裝過于困難，并且系統較為龐大，所以，目前的市場價格還是很高。為了盡量彌補缺陷，降低價格，研發人員通過夜以繼日的研究終于解決了該問題。

MEMS器件是一種從機械向固態轉變的過渡型方案，它的特點就是小型和速度快，并且MEMS擁有可以忍受較大熱壓的結構，所以可以承受更多的激光能量，同時，它的整體單元尺寸過于龐大，所以它受環境影響的概率又提高了，振動等因素的不斷發展變化又讓它不斷提升。隨著激光雷達的不斷發展，整體數據性能的提升，它的圖像質量也會提高，讓整體的設備發展中存在著各種發展的可能性，提升了人的使用過程，讓人對環境的分析程度得到了加深。

相比于其他產品，液晶光學相控陣器件在整體空間架構方面的商業化運用更為廣泛，它具有全固態、價格便宜、可以產業化制作的特點；缺點是它的反應速度要稍微慢一些，光束的可轉向范圍要更小一些。經過這么多年的發展，集成光波的單向控制芯片中擁有全固態、體積小的LiDAR解決方案得到了廣泛的發展研究；另一方面，硅基材質的相控陣雷達也擁有了COMS的相同特點，價格降低，存在的缺陷是掃描速度還有待提升，可以通過采用硅基等離子體色散效應的相位調制器來滿足更高速的應用需求。從現有的相控陣芯片的相關性能分布上看，相控陣雷達的大規模集成將增大激光雷達的反射面積和提高分辨率，但它也會加大電級排布的困難性。因此，對于一種高精度、高效率、小型化的電極的發明創造就顯的極為重要了。

目前在研究比較熱門的車載激光雷達領域，成熟商用的激光雷達大多是機械式激光雷達，行業龍頭Velodyne公司成立于1983年，經過多年機械雷達研究的積累，行業地位很難動搖。Leddar Tech公司是MEMS激光雷達的代表公司。

國內的相關激光雷達公司的成立普遍要晚一些，北科天繪等新興公司將大量的精力都投入到機械式激光雷達的改進方面，在MEMS的激光雷達應用領域還投入很少。北醒科技等其他一些公司在Flash激光雷達方面有較大的進展，出現了很多新產品。還有一些公司也在不斷崛起，開發各種適用于人們生活的激光雷達，以提高人們生活的便捷程度。

總的來說，擁有大功率、大角度的掃描范圍和高分辨率的全固態的小型化激光雷達設備是未來的發展方向，也需要相關人員和機構的不斷投入。隨著科學技術的不斷提升，對于激光雷達快速發展的一些限制正在解除，所以，在不久的將來，更為先進的激光雷達設備將不斷誕生。它的不斷發展將繼續推動人類生活的不斷進步，提升人類整體生活的便利程度。同時，各企業和機構也需要不斷地加大投入的力度，將夜激光雷達的發展和智能無人駕駛汽車的發展相融合，提升行業整體的發展水平，從最小的地方出發，發現最大的可能。