車載激光雷達關鍵性能參數及決定因素

曹 麗，宋夢洋，凌九紅

車載激光雷達關鍵性能參數及決定因素

曹 麗，宋夢洋，凌九紅

（武漢光迅科技股份有限公司，湖北 武漢 430205）

近年來，智能汽車的發展極大地推動了激光雷達產業的熱度，目前國內外在激光雷達領域布局的公司越來越多。激光雷達系統復雜，應用場景多樣，多種技術路線并存，因此，對激光雷達性能的評價不是一個簡單的問題，尤其是一些參數容易混淆，如探測精度、探測準確度、探測分辨率、幀頻和點頻等。論文選擇車載激光雷達的關鍵性能參數，對這些參數的定義、計算方法、相互關系、決定因素等進行了梳理和歸納，可以幫助用戶更好地使用激光雷達，對激光雷達的設計也有指導意義。

激光雷達；關鍵性能參數；計算方法；決定因素；智能汽車

激光雷達是一種發射光束并接收回波獲取目標三維信息的系統，已經有幾十年的應用歷史。近年來智能汽車輔助駕駛技術的興起，推動了激光雷達的技術發展和產業熱度。

激光雷達的參數眾多，由于還沒有統一的標準，不同廠家在宣傳中選擇的參數不完全相同。實際上，一些參數并不是激光雷達的核心參數，還有一些參數之間存在較強的關聯性。如果不能正確認識這些參數的含義、相互關系、決定因素，很可能被個別高性能指標吸引，而無法了解激光雷達的真實性能。

本文對車載激光雷達的關鍵性能參數進行了梳理和分析，對系統理解激光雷達的性能參數有重要的作用。

1 車載激光雷達核心性能參數及分類

對車載激光雷達的評價通常涉及到性能、可靠性以及應用等方面。用戶關心的參數很多，包括：激光波長、探測距離、視場角（垂直+水平）、測距精度、角分辨率、出點數、線束、安全等級、輸出參數、防護等級、功率、供電電壓、激光發射方式、使用壽命等。但激光雷達功能上是一種距離測試系統，其核心性能應圍繞測試的速度、測試的空間范圍、測試分辨率、測試的準確度、測試的重復度幾方面來評價。依據這個原則，通常認為激光雷達的核心性能參數有幀頻、最大探測距離和最小探測距離、視場角、距離分辨率、水平角分辨率、垂直角分辨率、點頻以及測距精度和測距準確度。

根據現有激光測距儀相關標準查詢，參數定義如下：

重復頻率[1]：每秒鐘完成的測距次數。

測程[1-2]：在規定大氣條件下，對規定目標達到規定的測距準測率時，能探測到的最遠/近距離。

水平視場角：在水平方向上最大方位掃描角度θ。

垂直視場角：在垂直方向上最大方位掃描角度θ。

距離分辨率[3]：在光束傳播方向上能夠區分兩個目標之間的最小距離間隔。

角分辨率[2]：在測程范圍內，對位于光束截面上相對光軸的兩目標分辨的能力。

測距準確度[3]：所測得的目標距離值與實際距離值之間的偏差。

準測率[1-2]：達到規定測距精度的測距概率。

2 參數間的關系及決定因素

2.1 幀頻與轉速、掃描頻率

轉速是車載激光雷達一個很直觀的參數，對于機械旋轉激光雷達，轉速指的是電機旋轉速度，通常用每秒或分鐘轉的圈數來表示。20 r/s表示激光雷達的電機轉速是每秒鐘20圈。

激光雷達的幀頻和掃描頻率與轉速直接相關，旋轉一周掃描一次，掃描一次輸出一幀點云。20 r/s的轉速對應的幀頻和掃描頻率都是20 Hz。

激光雷達電機旋轉速度越快，掃描速度越快，輸出點云速度越快。

2.2 最大探測距離和最小探測距離

激光雷達的探測距離是最核心的性能參數。激光測距性能方程是激光測距系統設計的理論基礎，用于估算激光測距系統的最大探測距離。如圖1所示，激光器發出的光功率為0，光束經過光學系統和傳輸距離，被光學系統和大氣衰減之后到達到目標物，再從目標反射光到接收光路。

到探測器的光功率為[4-5]

式中，目標物的反射率為，發射和接收光學系統的透過率分別為TT，窄帶濾光片的透過率為T，大氣衰減率為，目標反射表面法線與光軸之間的夾角為，接收機透鏡孔徑面積為A，目標距離為。

由式（1）可以看出，激光測距系統的最大測程同時取決于外部測距條件和測距系統自身性能。

在激光測距系統的設計中，必須提高激光發射單元的發射功率，增大光學系統的透過率，增大接收單元的面積，減小接收機的最小可探測功率Pmin。

和兩個系數分別與光斑的大小、目標物有效發射截面積A、發射光束的遠場發散角和為接收視場角相關[5]。

目標物有效發射截面積小于光斑面積時，發射光束的遠場發散角越大，光束發散越快，接收端接收到的光功率越小。因此，發射端需要通過準直整形減小激光器的光束發散角和光斑大小。

除了最大探測距離，激光雷達內部發射光路與接收光路之間的距離會導致探測盲區產生，當探測距離低于最小探測距離時激光雷達就無法探測到目標物。

最小探測距離min的計算方式為

式中，為發射準直光路中心與接收會聚光路中心的垂直距離；為探測器的感光區域直徑；為所選透鏡的焦距。

2.3 視場角

激光雷達的視場角是衡量激光雷達的感知范圍的一個指標。視場角越大，能感知范圍更大，對于汽車駕駛的安全性更有幫助。但視場角也不是所有情況下都是越大越好，例如相同線數時，視場角越大垂直角分辨率越低。視場角需要根據具體應用環境和使用要求來選擇。視場角的決定因素主要是激光雷達的掃描部分和光學設計。機械旋轉掃描方式因為整個收發部分都在旋轉，所以很容易實現360°的水平視場角。而轉鏡、棱鏡和微機電系統（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS）等掃描方式的視場角則由掃描鏡對光的反射角度決定。尤其是MEMS掃描方式，由于MEMS微振鏡的口徑有限，激光雷達的掃描角度范圍也相當有限。如果要擴大視場角，可以采用凸凹透鏡組成擴角系統來進行光學擴束，增加視場角[6]。

2.4 距離分辨率

距離分辨率指的是在同一方位上，能分辨的最小距離Δ。

如圖2所示，發射脈沖的寬度為，當兩個回波脈沖的前沿的時間間隔Δ=2Δ/≥τ時，兩個脈沖不重疊，激光雷達可以正確分辨兩個脈沖，反之兩個回波脈沖重疊，激光雷達無法分辨兩個物體。

圖2 回波脈沖示意圖

因此，脈沖雷達中最小距離分辨率Δ≥/2。

由此可見，降低脈沖寬度有利于提高激光雷達的距離分辨率。

2.5 水平角分辨率和垂直角分辨率

角分辨率也是激光雷達的重要參數，決定了在一定距離時激光雷達可以識別的物體的大小。

如圖3所示，假設激光雷達的垂直角分辨率為0.08°，即兩個激光光束之間的角度為0.08°，那么當探測距離為200 m時，兩個光束之間的距離為200 m×tan0.08°≈0.28 m。也即在200 m之后，障礙物尺寸小于28 cm就有識別不到的風險。

圖3 激光雷達線束示意圖

垂直角分辨率最直接的決定因素是激光雷達的線數，在激光雷達線束均勻分布的情況下：

垂直角分辨率=垂直視場角/線數 （5）

為了提高線數，一維掃描方案通常通過堆疊中間區域的激光器實現，二維掃描方案的線數分布可以任意變換，可根據需要調節感興趣區域的角度范圍和垂直分辨率大小。

水平角分辨率的計算公式為

水平角分辨率=視場角×轉速/采樣率（6）

由式（6）可見，水平角分辨率與視場角和幀頻相關，不能在不看這兩個參數的情況下單獨看水平分辨率水平。相同視場角，采樣率一定的情況下，轉速越慢水平角分辨率越高。

2.6 點頻

點頻也叫出點數，指激光雷達每秒獲取的探測點的總數目，點頻的計算公式為

點頻=每幀水平方向平均點數×

每幀垂直方向平均點數×幀頻 （7）

對于一維掃描方式，每次掃描垂直方向平均點數就是其線數，因此

點頻=（水平視場角/水平分辨率）×線數×幀頻=

采樣率×線數×幀頻/轉速=采樣率×線數（8）

從以上公式可以看出，點頻由激光雷達的采樣率和線數決定，與幀頻無關。提高幀頻會使水平分辨率降低，點頻保持不變。用點頻參數能避免靠降低幀頻提高水平分辨率來取巧。點頻是激光雷達的核心性能參數，點頻越多說明激光雷達對目標物的感知能力越好。

2.7 測距精度和測距準確度

測距精度和測距準確度兩個參數容易相互混淆。測距精度衡量的是測試的重復性，高精度意味著對同一目標的重復測量的結果非常接近，低精度意味著測量結果在均值附近的離散性較大。測距準確度反映的是測試的距離與其實際距離的接近程度偏差。

測距精度與激光雷達的信噪比密切相關，信噪比高于一定閾值時，測距數據的分布較好地服從正態分布，隨著信噪比的降低，測試數據的分布范圍變大，測試精度降低[7]。

測距準確度直接正比于飛行時間的準確度。

如圖4所示，激光雷達通過比較發射和反射脈沖的時間差來計算飛行時間[8]。

圖4 激光雷達時間差測試原理

飛行時間的準確度取決于發射、接收脈沖觸發時間的準確度以及內部時鐘晶振的頻率穩定度。發射脈沖、時鐘穩定度由激光雷達的內部電路決定，接收脈沖觸發時間準確度與激光脈沖形狀、目標物反射特性以及背景噪聲等因素相關。

3 結束語

激光雷達的應用場景多樣，包括測繪、機器人、無人車、輔助駕駛等，近年來輔助駕駛車載應用場景發展迅速，激光雷達技術在不斷完善和迭代。多種因素導致激光雷達性能的評價較為復雜。本文對車載激光雷達的幾個關鍵性能參數進行詳細而系統的分析，通過對參數的計算方法的分析，能夠幫助理解不同參數之間的關系，以及性能參數的決定因素，對理解激光雷達的性能有重要的指導意義。

[1] 中國機械工業聯合會.半導體激光測距儀通用技術條件:GB/T 29299[S].北京:中國標準出版社,2012.

[2] 兵器國營5308廠.固體脈沖激光測距儀通用規范: GJB 1324－1991[S] .北京:兵器標準化所,1991.

[3] 中國人民解放軍總裝備司令部. 脈沖激光測距儀性能試驗方法:GJB 2241A－2008[S].北京:總裝備部軍標出版發行部,2008.

[4] 李慶瑩.激光掃描測距系統關鍵技術研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2019.

[5] 張合,郭婧,張祥金,等.半導體脈沖激光光斑整形方法研究[J] .南京理工大學學報,2010,34(5):2-3.

[6] 李小寶,王春暉,曲揚,等.三維成像激光雷達系統中的微電子機械系統掃描:掃描視場角與擴束[J] .激光與光電子學進展,2015,52(11):169-174

[7] 姜海嬌,來建成,王春勇,等.激光雷達的測距特性及其測距精度研究[J].中國激光,2011,38(5):3-6.

[8] 王春勇,謝俊,卞保民,等.提高激光雷達測距精度的最佳信號門限比[J].激光技術,2007,31(4):2-3.

Key Performance Parameters and Determinants of Vehicle Lidar

CAO Li, SONG Mengyang, LING Jiuhong

( Accelink Technologies Company Limited, Wuhan 430205, China )

In recent years, the development of intelligent vehicles has greatly promoted the popularity of lidar industry. At present, there are more and more companies at home and abroad in the field of lidar. The lidar system is complex. The application scenarios are diverse, and a variety of technical routes coexist. So the evaluation of lidar performance is not simple. In particular, some parameters are easy to be confused, such as detection precision, detection accuracy and detection resolution, frame rate and point rate. In this paper, the key performance parameters of vehicle lidar were selected, and the definitions, calculation methods, interrelations and determinants of these parameters were sorted and summarized, which can help users better use lidar and guide the design of lidar.

Lidar; Keyperformance parameters; Calculation methods; Determinants;Intelligent vehicles

TN951

A

1671-7988(2022)24-196-04

TN951

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.024.036

曹麗（1980—），女，碩士，高級工程師，研究方向為光電子器件、激光雷達，E-mail:li.cao@accelink.com。