激光雷達(dá)

激光雷達(dá)簡介

　　激光雷達(dá)，是以發(fā)射激光束探測(cè)目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)。其工作原理是向目標(biāo)發(fā)射探測(cè)信號(hào)（激光束），然后將接收到的從目標(biāo)反射回來的信號(hào)（目標(biāo)回波）與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比較，作適當(dāng)處理后，就可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息，如目標(biāo)距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù)，從而對(duì)飛機(jī)、導(dǎo)彈等目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、跟蹤和識(shí)別。它由激光發(fā)射機(jī)、光學(xué)接收機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)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(jī)再把從目標(biāo)反射回來的光脈沖還原成電脈沖，送到顯示器。

激光雷達(dá)百科

　　激光雷達(dá)，是以發(fā)射激光束探測(cè)目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)。其工作原理是向目標(biāo)發(fā)射探測(cè)信號(hào)（激光束），然后將接收到的從目標(biāo)反射回來的信號(hào)（目標(biāo)回波）與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比較，作適當(dāng)處理后，就可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息，如目標(biāo)距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù)，從而對(duì)飛機(jī)、導(dǎo)彈等目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、跟蹤和識(shí)別。它由激光發(fā)射機(jī)、光學(xué)接收機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)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(jī)再把從目標(biāo)反射回來的光脈沖還原成電脈沖，送到顯示器。

　　激光雷達(dá)的原理

　　激光雷達(dá)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(dá)的內(nèi)部，每一組組件都包含一個(gè)發(fā)射單元與接收單元。我們拿激光雷達(dá)領(lǐng)域最有名的公司Velodyne的旋轉(zhuǎn)鏡面設(shè)計(jì)圖來說明。

　　激光雷達(dá)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(gè)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(shè)計(jì)和制造的復(fù)雜度，因?yàn)殓R面是這里面唯一的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

　　探測(cè)距離的原理是基于光返回的時(shí)間，激光二極管發(fā)出脈沖光，脈沖光照射到目標(biāo)物后反射一部分光回來，在二極管附近安裝一個(gè)光子探測(cè)器，它可以探測(cè)出返回來的信號(hào)，通過計(jì)算發(fā)射和探測(cè)的時(shí)間差就可以計(jì)算出目標(biāo)物的距離。脈沖距離測(cè)量系統(tǒng)一旦被激活就能收集到大量的點(diǎn)云。

　　如果點(diǎn)云中有目標(biāo)物，目標(biāo)物就會(huì)在點(diǎn)云中呈現(xiàn)出一個(gè)陰影。通過這個(gè)陰影可以測(cè)量出目標(biāo)物的距離和大小。通過點(diǎn)云可以生成周圍環(huán)境的3D圖像。點(diǎn)云密度越高，圖像越清晰。

　　激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)

　　與普通微波雷達(dá)相比，激光雷達(dá)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(diǎn)，主要有：

　?。?）分辨率高

　　激光雷達(dá)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(gè)目標(biāo)（這是微波雷達(dá)無論如何也辦不到的），并可同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo)；距離分辨率可達(dá)0.lm；速度分辨率能達(dá)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(shù)來獲得目標(biāo)的清晰圖像。分辨率高，是激光雷達(dá)的最顯著的優(yōu)點(diǎn)，其多數(shù)應(yīng)用都是基于此。

　?。?）隱蔽性好、抗有源干擾能力強(qiáng)

　　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(dá)的發(fā)射系統(tǒng)（發(fā)射望遠(yuǎn)鏡）口徑很小，可接收區(qū)域窄，有意發(fā)射的激光干擾信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)的概率極低；另外，與微波雷達(dá)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(duì)激光雷達(dá)起干擾作用的信號(hào)源不多，因此激光雷達(dá)抗有源干擾的能力很強(qiáng)，適于工作在日益復(fù)雜和激烈的信息戰(zhàn)環(huán)境中。

　?。?）低空探測(cè)性能好

　　微波雷達(dá)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(cè)的區(qū)域）。而對(duì)于激光雷達(dá)來說，只有被照射的目標(biāo)才會(huì)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(cè)性能較微波雷達(dá)強(qiáng)了許多。

　　（4）體積小、質(zhì)量輕

　　通常普通微波雷達(dá)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(dá)幾米甚至幾十米。而激光雷達(dá)就要輕便、靈巧得多，發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的口徑一般只有厘米級(jí)，整套系統(tǒng)的質(zhì)量最小的只有幾十公斤，架設(shè)、拆收都很簡便。而且激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，維修方便，操縱容易，價(jià)格也較低。

　　激光雷達(dá)的缺點(diǎn)

　　首先，工作時(shí)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(yuǎn)。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(dá)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(huì)使激光光束發(fā)生畸變、抖動(dòng)，直接影響激光雷達(dá)的測(cè)量精度。

　　其次，由于激光雷達(dá)的波束極窄，在空間搜索目標(biāo)非常困難，直接影響對(duì)非合作目標(biāo)的截獲概率和探測(cè)效率，只能在較小的范圍內(nèi)搜索、捕獲目標(biāo)，因而激光雷達(dá)較少單獨(dú)直接應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)和搜索。

　　激光雷達(dá)的特點(diǎn)及用途

　　激光雷達(dá)的用途

　　直升機(jī)障礙物規(guī)避激光雷達(dá)

　　化學(xué)戰(zhàn)劑探測(cè)激光雷達(dá)

　　機(jī)載海洋激光雷達(dá)

　　成像激光雷達(dá)可水下探物

　　無人駕駛激光雷達(dá)

　　目前激光雷達(dá)的發(fā)展情況

　　劉博：從應(yīng)用來看，激光雷達(dá)的種類繁多，可用于多種形式的探測(cè)。

　　最早成熟的激光雷達(dá)技術(shù)是用于探測(cè)臭氧、二氧化硫、氣溶膠等的大氣探測(cè)激光雷達(dá)。2016年，在天宮二號(hào)和神舟11號(hào)的交匯對(duì)接中，利用激光雷達(dá)在兩個(gè)航天器對(duì)接過程中測(cè)量相對(duì)位置、角度等，保證精準(zhǔn)對(duì)接;還有我國發(fā)射的嫦娥三號(hào)上，在降落前用來掃描下方地貌，探測(cè)障礙物，這個(gè)屬于探測(cè)地形地障類的激光雷達(dá)。

　　近幾年，隨著人工智能的發(fā)展，自動(dòng)駕駛、輔助駕駛的興起，推動(dòng)了激光雷達(dá)在民用領(lǐng)域中的應(yīng)用。

　　從技術(shù)原理來看，用于民用的激光雷達(dá)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(gè)平面。早期的激光雷達(dá)為64線（即64束激光），那時(shí)已滿足自動(dòng)駕駛的需求，但因成本高達(dá)7萬美元，未被市場(chǎng)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(dá)。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(cè)障礙物時(shí)產(chǎn)生盲點(diǎn)，帶來安全隱患。

　　第二種是固態(tài)激光雷達(dá)。這種技術(shù)以美國Quanergy Systems公司的固態(tài)激光雷達(dá)傳感器S3為首，采用相控陣掃描方式，并不是常用的機(jī)械掃描方式。它不像第一種技術(shù)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)，可以大幅降低生產(chǎn)成本。但目前技術(shù)并不成熟，離產(chǎn)品市場(chǎng)化還有一段距離。

　　有行業(yè)人士認(rèn)為，中國五年內(nèi)會(huì)改寫激光雷達(dá)的格局。您怎么看？

　　劉博：這是一個(gè)比較樂觀的宣傳。激光雷達(dá)最大的優(yōu)點(diǎn)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(gè)平面，這是XY二維空間，但是駕駛員最關(guān)心是距離，即Z坐標(biāo)，這就屬于三維。

　　國內(nèi)已有企業(yè)正在合作研究自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)，也有一些公司推出了產(chǎn)品，但是實(shí)際應(yīng)用效果如何，目前尚未看到成效。我國用于自動(dòng)駕駛的激光雷達(dá)的研究處于剛剛起步的階段。

　　自動(dòng)駕駛的最大賣點(diǎn)在于可以把道路駕駛的事故率理論上降到零。因?yàn)樽詣?dòng)駕駛都是由計(jì)算機(jī)控制的，如果系統(tǒng)不出現(xiàn)故障，那么他就會(huì)嚴(yán)格遵守交通規(guī)則，不會(huì)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(huì)對(duì)自動(dòng)駕駛造成很大的打擊。

　　激光雷達(dá)的光源有三種：二氧化碳激光器、半導(dǎo)體激光器和全固態(tài)激光器。您認(rèn)為哪種激光器光源最有前途？

　　劉博：肯定是半導(dǎo)體激光器作為光源潛力最大。因?yàn)榘雽?dǎo)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_(dá)，例如Velodyne，最早并不是為自動(dòng)駕駛而設(shè)計(jì)的，只不過自動(dòng)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(cè)試車使用了Velodyne的64線激光雷達(dá)

　　我認(rèn)為，真正實(shí)用化后，這些都應(yīng)該集成到汽車的內(nèi)部，例如集成到車燈的位置，半導(dǎo)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(dá)與國外差距有多大

　　劉博：從技術(shù)上來說，我國民用激光雷達(dá)與國外技術(shù)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(shí)間，而我國剛剛開始做。

　　我曾與國內(nèi)很多專家聊過。嚴(yán)格來說，現(xiàn)在市場(chǎng)上的激光雷達(dá)沒有一款是在誕生之初就專為自動(dòng)駕駛優(yōu)化設(shè)計(jì)的。國內(nèi)很多激光雷達(dá)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(shè)計(jì)。然而Velodyne公司早期主營音響業(yè)務(wù)，后技術(shù)升級(jí)，才開發(fā)了激光雷達(dá)技術(shù)LiDAR并名聲大噪。但是它有些指標(biāo)超出了普通汽車的要求，帶來了高成本，而有些必需的指標(biāo)又沒有達(dá)到。

　　其實(shí)，我現(xiàn)在課題組正在做的工作之一就是從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)設(shè)計(jì)激光雷達(dá)系統(tǒng)。從2016年開始我們正在從事這個(gè)方向的研究，并與最終用戶和一些車主進(jìn)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(dòng)駕駛而優(yōu)化設(shè)計(jì)的激光雷達(dá)。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(biāo)，提升安全性。

　　激光雷達(dá)技術(shù)推廣到民用階段還需要多久的時(shí)間

　　劉博：應(yīng)該用不了太久。根據(jù)“2016中國汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)”正式公開的節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖的規(guī)劃，智能網(wǎng)聯(lián)汽車的市占率將實(shí)現(xiàn)2020年駕駛輔助與部分自動(dòng)駕駛市占率50%，2025年高度自動(dòng)駕駛市占率15%，2030年完全自動(dòng)駕駛市占率10%。我認(rèn)為，5年內(nèi)市場(chǎng)上會(huì)推出各種各樣針對(duì)自動(dòng)駕駛的激光雷達(dá)產(chǎn)品。

　　您認(rèn)為激光雷達(dá)的市場(chǎng)前景如何

　　劉博：激光雷達(dá)的市場(chǎng)非常大，而且很多同仁都在從事該領(lǐng)域的研究和開發(fā)。其實(shí)激光雷達(dá)最大的市場(chǎng)并不是自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，而是用在服務(wù)類機(jī)器人的機(jī)器視覺上。無人機(jī)、服務(wù)類機(jī)器人，還有一些娛樂項(xiàng)目中進(jìn)行距離傳感捕捉的，這些方面的激光雷達(dá)市場(chǎng)會(huì)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(xué)研企都在研究。

　　我認(rèn)為最終產(chǎn)品的開發(fā)模式，還是應(yīng)遵循研發(fā)端、用戶端與市場(chǎng)，三方緊密結(jié)合，從最初的設(shè)計(jì)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(jià)值。