激光測距在汽車智能防撞系統中的應用

摘要：隨著汽車技術的發展，特別是無人駕駛技術的飛速發展，各種測距裝置層出不窮。目前，車輛的測距主要有四種方法：毫米波雷達測距、成像系統測距、激光測距、超聲波測距。毫米波雷達的電磁干擾和成像系統的成本很高，很難在車輛上推廣。激光測距時間短、測量范圍大、精度高，能夠滿足車輛由低速向高速行進的需要，并能有效地解決車輛在高速運動中由于測距速度過慢而導致的測距誤差。據此，將激光測距技術用于汽車智能防撞系統，其目的是在多種行駛狀態下，通過多方位探測和檢測出與周邊障礙物之間的距離，并在一定范圍內向駕駛員發出警告，以幫助司機及時采取應對措施。

關鍵詞：激光測距；汽車智能；防撞系統；應用

中圖分類號：U471" 收稿日期：2022-11-15

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.01.020

1 前言

汽車發生碰撞的主要原因，是由于汽車與其前方物體（如汽車、行人或其他障礙物）的距離，使汽車行駛的速度來不及制動而造成的，即距離較近而相對速度卻很高［1-2］。近年來，由于我國無人駕駛汽車項目的迅速發展，激光測距傳感器大規模地應用于車輛自動測距領域。一些企業已制造出各種類型的激光測距感應器，并廣泛地應用在汽車防撞中，與其他領域相關的設備還有激光測距傳感器、激光測距儀、紅外線實時測距設備、超聲波實時測距設備等。其中，應用得較為廣泛的有100 km激光測距感應器。為避免和車輛和前方物體（車輛、障礙物）發生撞擊，汽車的速度就必須參考與前面物體的相對位置并由執行機構加以控制，從而使車輛一直在安全速度內行駛。實現防止撞擊的根本，本質上是要先知道汽車與前面物體之間的相對位移，而高頻激光測距傳感器就破解了這個難題。

2 激光測距的原理與特點

激光，英文名稱為Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（簡稱LASER），意即在物質中被激射的光子，故稱之為激光。按激光的產生機理，它是物質中的原子分子在接受能量后由最低能級躍遷至較高能級，再從最高能級下降至最低能級，同時將能量以光子的方式釋放，從而誘發（激發）出光子束（激光）。激光和一般光源比較，具備高單色度、高亮度、低方向性的特點，已廣泛應用于工業生產和科學實驗中，激光測距技術就是其運用的一種新型手段［3-4］。

2.1 激光測距技術的特點

激光測距法是一種非接觸式的工業檢測方法，和常規的接觸式測距方法比較有著如下的優勢：激光單色性高，方向性強，相干性好，它的光束呈直線狀分布、散射小、波速能量集中、傳播距離遠。激光測距技術應用于車輛碰撞防護中，其工作原理是：先將車輛內裝有激光雷達的激光光束照射在前方車輛的反光鏡上，再對反射器的光速到達時間進行檢測，并通過激光光束的發射和回程的時間差來確定車輛的間距。

目前，激光測距技術已經取得了較大的進展，但是其在汽車碰撞防護中仍有著一定的局限性。激光測距的關鍵在于天氣條件、車輛振動、反射面磨損、環境污染等因素，這些因素使得測距精度很難保證。所以，目前在車輛碰撞防護方面，激光測距技術尚未發展起來。

2.2 激光測距技術的原理

激光測距技術包含激光脈沖測距、激光相位測距、三角法測距等多種測距方式。激光脈沖測距主要用于長程測距，其測距精度在公里級以上，但精度不高，通常的精度應為米；在中等距離的測量中，激光相位測距是比較理想的，通常在50 m、150 m、300 m、500 m的范圍內，其準確度通常為毫米；而三角激光測距，精度一般都是在2 m左右（通常是2 m），而高精度的測距，一般可以達到微米級，但是距離有限［5-6］。

a.激光脈沖測距法。

在激光脈沖測量中，先是將激光發出二極管指向目的地，隨后再經由激光輸出裝置發送出去。激光在經過目標的眼睛中反射后，向四面八方發散。將部分的散射光線送入傳感裝置的接收機中，再通過光路系統傳送到激光成像的雪崩光電輸出二極管。雪崩光電脈沖二極管是一類擁有高速放大性能的感光器件，能夠檢測到極其微小的光源。它主要是利用測量光脈沖往返于待測物體上的時間，然后乘以光速再除以2，從而得出與被測對象的最準確距離，計算公式如下：D=ct/2，其中D為測量點A、B間的距離，c為光速，t為光脈沖往返A、B兩點間1次所需時間，參見圖1。

b.激光三角法測距。

將一道激光以特定的角度射向被測對象的基準部位，在被測對象上形成發散和漫反射現象，將該光敏元件放在另一種特定的地方，以吸取由透鏡所匯聚而成的散射光和漫反射光。在被測對象移動之后，把一個激光以相應的角度照射到被測對象的待測區域，在同樣的區域上安裝了一個光敏傳感器，也相應在該區域上同時接收到該散射光和漫反射光，這也就是被測對象在移動前后經過激光散射和漫反射之后的總光程，這和光斑的中心位置也是不相同的，于是可以將二個光端的中間區域代入到一個幾何三角形中，這樣就能夠得出目標的實際移動距離。

與相位型和FM型連續波測距相比，三角形測距具有結構簡單、測試速度快、使用靈活方便、成本低等特點，但其測量精度會隨距離的增大而降低。同時，由于采用的是被測對象表面的散射光，因此，該方法更適用于室內環境，而不適用于室外強烈光線及室內強烈光線的環境。

由上可知，三角激光測距技術的應用領域主要集中在微小位移的測量上，如車體模型曲面設計、激光切割、清掃機器人等。

3 汽車常用智能測距技術的比較

3.1 超聲波測距

超聲波測量技術是指一種具有強穿透力、低衰減、強反射功能的機械波，通常由發射機、接收機等處理設備所構成。在測量中，超聲波發生器將持續地發出一系列的連續波形，同時也為測量邏輯電路提供一個小波形。當汽車出現障礙后，超聲波接收機采集到反射信號，然后把一小段波形送到測量的邏輯電路中，最后通過時差，并利用信號處理裝置對汽車與障礙物之間的距離作出自動運算。

超聲的實時測距原理相對簡單、成本低、制造簡單，但其在高速汽車中的傳播速度易受天氣的影響，在不同的天氣條件下，其傳播速度也受到相應的影響，并且在汽車遭遇遠距離障礙時，由于反射的聲光太弱，會削弱對其的敏感度。所以，超聲在近距離的檢測中，一般選擇4～5 m的最優距離，一般使用在汽車倒車防撞系統上。

3.2 激光測距

目前廣泛用于車輛的激光測距系統有兩類：非成像式激光雷達和成像式激光雷達。非成像式的激光雷達是通過測量激光的傳輸時間測量距離。該系統的工作原理是：由高功率窄脈沖激光產生的激光通過物鏡聚焦形成一條特定的光束，由掃描鏡在左右方向數字化地掃描、射向空中，并采用掃描鏡頭、接收物鏡和回傳纖維，將其反射光導入信號處理裝置中的電光二極管，再利用計數器對激光二極體的起動脈沖與接收脈沖間的均時差加以運算，就可以得到目標距離。然后利過數碼掃描鏡片上的定位探測器，通過測定鏡片的傾角得出對靶面的定位。

根據圖像類型，激光雷達大致有兩個類型：一個是掃描類型的，一個是無掃描類型的。激光掃描儀把激光雷達與二維光學掃描儀相結合，經由掃描電鏡來調整激光的發射方向，這樣才能對整個視野區域進行逐點掃描，以便于獲得立體圖像。而非全掃描的圖像型，激光雷達則是使用分束裝置把光源送到被測的范圍中，再使用分光裝置把其分成多個光柱，并在不同的方位上發射。由于激光雷達將無掃描圖像型的測點數量大幅度降低，使系統的三維圖像速度獲得了很大的提高。

非成像型激光雷達在車輛定位上的運用越來越普遍。與成像型的激光雷達相比，非成像型激光雷達具有成本低、速度快、安全性高等優勢。但是，由于激光雷達測距裝置在高速移動的車身中隨車運行，面臨著嚴重的振動問題，這就需要提高其穩定性和可靠性，同時也需要兼顧節能、價格低廉、對人眼安全等要素。

3.3 CCD攝像系統測距

CCD（Charge Coupled Device）攝像機是一種用來模擬人眼的光電探測器。由于其體積小、質量輕、功耗低、噪聲低、動態范圍大、測量精度高，被廣泛地用于汽車工業中。采用平面CCD技術可以得到被測量的目標的二維影像，但是不能準確地對被測量對象的位置進行測量。一種單一CCD相機的系統叫作單眼成像系統，它通常被應用在車輛中，以幫助司機獲取后方盲區的信息，從而防止車輛發生碰撞。為了獲取立體目標的立體信息，采用雙眼視覺技術，即采用兩個間隔不變的相機同時拍攝相同的景物，經過電腦的分析和處理，得到了在視野內各對象的立體坐標。

3.4 紅外線測距

紅外線的波長大于可見光，它是一種無法用肉眼看到的光，具有明顯的熱學效果，并具有很好的穿透作用。在同一時間，任何一個物體都會發射紅外光。車載設備可以根據信號的強度和波長來分析時間上的差異，從而判斷出目標的屬性和距離。因為紅外線是肉眼無法看到的，在夜晚也不會影響到它的工作，所以它被廣泛地用于軍用汽車上。

3.5 雷達測距

雷達的名稱取自“無線電探測和測距”，顧名思義，就是在對目標物體發送了一定的無線電波的信號以后，再利用由目標物體反射出去的電磁波信號檢測目標，從而可以通過接收信號的端點和對方端點的時延來確定相互之間的距離。

雷達技術是在第二次世界大戰期間首先出現的，當時在戰爭中得到了廣泛的應用和推廣。后來，隨著現代科技的發展，雷達技術越來越完善，因為它不但能夠完成對目標的檢測和測距，而且具有測角、速度、跟蹤、顯示距離等多種功能。雖然現代雷達技術已經大多運用在軍事上，但其在民用方面中的使用范圍也越來越廣泛。雷達技術在汽車民用方面中的應用，主要包括汽車氣象雷達、地面雷達、機場，以及公路的汽車交通管制雷達等。從20世紀70年代起，雷達技術廣泛運用于車輛的主動防撞器上，并稱之為“汽車防撞預警雷達”。

4 激光測距在汽車智能防撞系統中的應用

4.1 汽車智能防撞系統

防撞雷達是一款可以避免汽車產生撞擊的智能裝置。該裝置可以自動檢測車輛、行人以及其他與車輛碰撞的障礙物，并通過報警系統或剎車或閃避來防止撞擊。汽車防撞報警控制系統主要用來協助汽車駕駛員防止高速、低速追尾、在高速行駛時不會出現偏移車道、與行人產生碰撞等事故。汽車之間的安全間距，是現代汽車防撞技術中需要注重的第一個問題。在汽車和前車之間距離超出安全范圍時，系統應該能做到自動報警，并及時剎車，以避免相撞，從而確保了駕駛者的生命安全。

4.2 激光測距在汽車智能防撞系統中的應用

目前，汽車安全距離的測量主要有超聲波、微波雷達、激光測距三種。超聲測量是根據超聲反射的特點進行。超聲波發生器持續發出4 kHz的超聲波，在接觸到失效的物體時，會被反射，然后形成一種反射波。超聲波接收機在接收到回波信號之后，把它轉化為電子信號，從而可以對目標進行測距。微波定位技術是通過目標反射的電磁波來尋找目標并確定其位置。激光測距的原理類似于微波雷達，有兩種特定的距離測量方式：連續波形和脈沖波形。在對車輛安全距離進行測量的基礎上，目前多采用激光測距技術。

5 結語

汽車避撞技術是當今汽車行業的一個研究熱點，是對運輸安全與暢通產業進一步發展的重要基礎。隨著公路建設的高速推進，交通事故的預防越來越引起人們的廣泛關注，汽車智能避撞技術的應用可以減少碰撞事故，是改善交通安全狀況的有效途徑之一，因此本文對激光測距在汽車智能防撞系統中的應用研究具有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]張耀輝基于多線激光雷達的智能車前向主動防撞系統研究與實現[D]長安：長安大學，2021

[2]董馳LIBS檢測儀用相位式激光測距系統的設計與實現[D]太原：中北大學，2022

[3]張海并行高帶寬光FMCW信號源設計與實現[D]成都：電子科技大學，2022

[4]楊倩，馮佳基于嵌入式數控的遠距離脈沖激光測距研究[J]激光雜志，2021，42（7）：41-44

[5]趙彭，王宇多功能汽車防撞雷達陣列天線技術研究[J]雷達與對抗，2022，42（2）：23-26+61

[6]趙晨菲，朱佳茵，文凱帥，等應用激光雷達點云處理的汽車開門防撞系統[J]福建電腦，2022，38（5）：102-104

作者簡介：

冉德智，男，1996年生，助教，研究方向為汽車智能技術。