智能网联汽车激光雷达工作原理、性能比较与安全性分析

本文由武晓宇，张晓，王伟忠联合创作

摘要

近年来，激光雷达被用于导航领域，如机器人、无人机和智能车的自动驾驶（包括辅助驾驶等不同级别）。市场上激光雷达的种类多样，测量原理和工作特性差异较大，通过对车载激光雷达各种测量原理和技术特性进行梳理比较，并对每种方案进行相应的分析评价，同时分析了其安全性，为激光雷达选型应用提供指导意见。

引言

激光雷达是一种可以用于精确测量周围环境的三维位置信息的传感器。一般由光学发射部件、光电接收部件、运动部件和信号处理模块等组成。其工作原理是向指定区域发射探测信号 ( 激光束 )，经过目标物反射后，收集反射回来的信号，与发射信号进行处理比较，即可获得待测区域环境和目标物体的有关空间信息，如目标距离、方位角、尺寸、移动速度等参数， 从而实现对特定区域的环境和目标进行探测、跟踪和识别。

相比于摄像头、毫米波雷达等其他类型传感器，激光雷达可以实现 3D 成像，获取精确的位置信息。激光雷达主动光学部件夜间仍可工作。激光雷达也有局限，如在雨雪、雾霾天气会影响测量精度，用于自动驾驶难以分辨交通标志和红绿灯颜色，此外， 成本高也是限制其大规模商业化的一个限制因素。

1 激光雷达的分类

习惯上，激光雷达可以按照测量原理或者是否含有运动部件进行分类，如图 1 所示。按照测量原理分类，可以分为飞行时间法和外差干涉方法，飞行时间法又可以分为脉冲调制和强度调制两种方式。如果按照激光雷达的运动部件特性来分类，可以分为机械旋转式、混合固态以及固态。机械旋转式和混合固态激光雷达已经较为普及，固态激光雷达作为新兴方向也越来越多地受到市场关注。

图 1 激光雷达的分类

2 激光雷达的测量原理

2.1      飞行时间法

飞行时间法（Time of flight, ToF）的原理如图 2 所示，激光器连续发射光脉冲，经过障碍物反射后，用探测器收集反射光，通过探测光脉冲的飞行（ 往返）时间来得到目标物距离。利用 ToF 测距法有一点需要特别注意， 就是发射激光器和光电接收器必须始终保持时间同步。

图 2 飞行时间法（ToF）测距

2.2