深入浅出讲解自动驾驶 - 激光雷达原理和结构简介

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一、导言

激光雷达最先应用于海洋深度探测领域，其实现思路是通过相同回波之间的时间差实现海洋深度测算。后来不断演进应用在地形地貌测绘、水下地形测量、农林业、采矿，智能家居、自动驾驶等领域。
自动驾驶系统自身定位和感知周围环境需要各种各样的传感器，激光雷达在自动驾驶软硬件系统有举足轻重作用，尤其是在感知系统物体识别、定位系统的SLAM和匹配定位有较高的权重。

二、原理和结构

1、基本原理

激光雷达系统的工作原理是感知层通过激光雷达不断向外发射激光束，并接收物体反射回的光脉冲，根据已知光速计算出两者信号之间的时间差、相位差等来确定车与物体之间的相对距离，再通过水平旋转扫描或相控扫描测量物体的角度，通过获取不同俯仰角度的信号获得高度信息。感知到与物体之间的距离、角等信息后，进而通过软件算法去做3D建模，通过分析激光信号描绘三维点云图，实现环境实时感知及避障功能。

激光雷达测距方法有三种：三角测距法、飞行时间测距法（Time of Flight，TOF）和连续调频波测距法（Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW）。

1.1 三角测距法

单线激光雷达采用三角测距法比较多，因为探测距离短和精度较差，所以成本较低。
工作原理：激光器发射激光，在照射到物体后，反射光由线性CCD作为接收器接收，由于激光器和探测器间隔了一段距离，所以依照光学路径，不同距离的物体将会成像在CCD 上不同的位置。按照三角公式进行计算，就能推导出被测物体的距离。如下图所示。

1.2 TOF测距法

工作原理：是利用发射和接收激光时间差来计算探测距离。尽管该方法比较简单，但是精度和探测距离较远，所以自动驾驶的车载激光雷达基本应用这种类型。

1.3 FMCW测距法

工作原理：利用发射调频连续的激光得到差拍信号频率，进而获取目标的距离和速度。这个和毫米波雷达的测距和测速原理一样，与TOF激光雷达在点云信息上除了点云的探测距离和角度信息外，还有速度信息。由于该技术还不够成熟，尚未应用于车载雷达中。

2、系统结构

2.1 结构组成

激光雷达包括激光发射、激光接收、光束操纵和信息处理四大系统。其中激光发射系统包括激励源、激光器、激光调制器、发射光学系统等构成；激光接收系统包括接收光学系统、光电控制器；信息处理系统包括放大器、信息处理等。

2.2 主要分类

根据光束操纵方式的不同可将激光雷达分为机械式、半固态和固态，其中半固态方案主流方向为MEMS与转镜式，固态方案目前以OPA和 Flash方案为主。

• 1️⃣机械式激光雷达
  机械式因成本及外观因素多用于测试项目。机械式激光雷达主要通过电机带动光机结构整体旋转，可实现360°扫描(半态式和固态式激光雷达往往最高只能做到120°的水平视场扫描)。由于机械式激光雷达发展较早、技术较为成熟，且具备最佳性能和分辨率，可测距离最远优势，但同时缺点在于核心组件价格昂贵，光路调试、装配复杂、生产周期漫长等因素导致难以配套量产，且突出型的产品结构对车辆外观有一定影响，故目前多应用于无人驾驶测试项目。
  

• 2️⃣MEMS激光雷达
  MEMS方案综合优势明显，有望搭载汽车商用。微振镜式主要采用MEMS(微机电系统， Micro- Electro- Mechanical System)微振镜替代传统机械式旋转装置，由微振镜通过一定谐波频率振荡反射光形成较广的扫射角度和较大扫射范围，高速扫描形成点云图效果。MEMS虽然相较机械式激光雷达探测角度范围较小，但因具有良好的性能、探测距离及高分辨率，同时小巧轻便、坚固可靠且成本较低，目前较为适合作为车载激光雷达配套汽车量产。
  

• 3️⃣转镜式激光雷达
  转镜方案最早通过车规，短期或将与MEMS并存。转镜式保持收发模块不动让电机在带动转镜运动的过程中反射激光从而达到扫描探测效果。转镜方案的激光雷达最早是法雷奥 Scala于2017年在奥迪A8上量产，也是首个车规级激光雷达，大疆 Livox产品预计于21年量产上市。雷达缺点在于电机驱动也带来了功耗高、稳定性不足和光源能量分散等问题，但也具备高扫瞄精度，同时可以通过控制扫描区域从而提高关键区域的扫描密度，且具有探测距离远、探测角度大的优势，未来或将成为自动驾驶汽车配套搭载的主要选择之一。

• 4️⃣OPA式激光雷达
  OPA产业链尚处起步阶段，短期暂无配套量产可能。OPA即光学相控阵（Optical—Phased—Array）技术，通过对阵列移相器中每个移相器相位的调节，利用干涉原理实现激光按照特定方向发射的技术从而完成系统对空间一定范围的扫描测量。OPA具备精度高、扫描快、体积小等优势，集成度高且量产标准化程度高，技术突破后大规模量产将使OPA方案成本进一步下探，但由于目前OPA产业链尚处于起步阶段，上游零部件多数需要激光雷达厂商自研，且制造工艺要求较高存在一定壁垒，对激光雷达制造商难度较大，故目前OPA方案采用率较低。
  

• 5️⃣Flash激光雷达
  探测距离短板导致Flash激光雷达应用受限。Flash型激光雷达是目前唯一不存在扫描系统的方案，由于不存在机械运动部件被归类为固态激光雷达。Flash可以通过短时间内向各个方向发射大覆盖面阵激光，利用微型传感器阵列采集不同方向反射回来的激光束快速记录整个场景并以高度灵敏探测器完成周围图像绘制，避免了扫描过程中目标或激光雷达移动带来的各种问题。但由于探测范围较窄目前配套汽车有所受限。