智能汽车激光雷达感知技术现状与发展分析

罗 骞，金琦珺

（武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉430070）

首先对激光雷达的定义、作用、构成进行了介绍，并对其工作原理进行了简单分析，找出了优缺点；阐述了激光雷达在国内外的发展现状，最后分析了其发展趋势。

1 概述

激光雷达的运作方式是通过发射出激光来对物品进行一个全方位的描述，构成一个整体情况的分析报告，性质上相当于雷达，具体的运行方式如图1所示。

图1激光雷达的运行方式

向需要检测的物品发射激光束，然后通过对接收到从物品反射回来的数据进行分析比较，进行适当处理后，就可以得到一定的物品相关信息，比如距离、速度、高度、形状等参数，从而实现对一些目标飞行器的观察。

激光雷达LIDAR是激光探测及测距系统的简称，另外也 称 为Laser Radar或LADAR（Laser Detection and Ranging）。

将激光发射器作为发射激光的光源，然后运用光电的探测设备作为主动的遥感设备。激光雷达是一种不同于以往的高科技的探测设备，它将激光与光电探测融为一体，共同使用，可以发射并接收处理信息。发射系统也有多种不同的类别，比如人们可以理解的二氧化碳激光器、更为先进的可调节的固体激光器等。而接收系统就比较常规一些，例如可以运用拥有望远镜功能和光电探测技术功能的设备进行观测，人们常见的和可以理解的有半导体光电二极管和红外射线等。激光雷达通常使用的是脉冲和连续波两种方式，探测的具体方法可以根据用途的不同而采用不同的方式，例如有瑞丽散射、拉曼散射、荧光等激光雷达。

2 工作原理及特点

2.1 原理

LIDAR是将激光和诸多导航定位系统进行概括的一个系统，可以获得相对精准的数据，最后形成精确的DEM。将三种技术相结合，可以精确掌握物品存在的形态。目前，人们熟知的数据模型包括地面数字模型和水文模型，两者的共同特点是都可以通过激光进行探测，因此，它的英文名称为Light Detection And Ranging（LIDAR）。

激光对于距离的测量和定位具有非常优良的能力，往往可以将范围缩小到几厘米之内。对于LIDAR系统的精确度分析，除了要考虑激光的因素外，还要对GPS和IMU测量单元进行考虑。随着两者的不断高速发展，让LIDAR系统的运用范围更加精确了，拥有了更多的应用平台。

LIDAR系统自身携带着一个窄带激光和一个接收系统。它的工作方法就是将光脉冲发出，探测到物品之后反射回来，接收器接收处理，得出信息数据。因为光脉冲的传播速度为光速，所以在整体的结构中，接收器可以不间断地接收到物体的信息，从而形成一整个工作流程；又因光速的可测算性，所以经过一定的计算就可以得到物品的距离。同时。通过激光器的测算高度、扫描角度以及GPS定位，可以相对准确地得到一个物品所在方位的X、Y、Z坐标。同时，激光束的发射频率非常高，在1 s内可以发射几个到几万个脉冲信号，因此，接收器在一定时间内就可以接收大量的数据信息。一般而言，LIDAR系统的地面光斑间距为2～4 m。脉冲测距法如图2所示，干涉测距法如图3所示，相位测距法如图4所示，三角测距法如图5所示。

图2脉冲测距法

图3干涉测距法

图4相位测距法

图5三角测距法

2.2 激光雷达的优点

与普通的微波雷达进行比较，激光雷达因为运用的是激光束，所以它的工作效率要高很多，也有很多特点，主要如下。

2.2.1 分辨率高

激光雷达对于物品的角度、距离和速度等各种因素都非常的敏感，对其有较高的精密度。因此，分辨率也会随之提升。通常范围内在4 km的距离可以同时对多个目标进行跟踪分析，并经过计算得出结果。分辨率的速率也大大提升，灵敏度得到了很大的提高。同时，可以获得很高的清晰度，大大提高了人们对图像和各项数据的分析能力。

2.2.2 隐蔽性好、抗有源干扰能力强

激光传播的原理是直线传播，方向感非常好，光束的距离也很窄，因此，只有在特定的传播接收路径上才可以接收到，在此情况下，被敌方识破的可能性就大大降低了，并且激光雷达的整体发射口径和接收区域都非常的窄，所以干扰信号被接收到的概率很低。另外，自然界中对激光雷达存在干扰的影响元素很少，所以，激光雷达拥有很强的抗干扰能力，可以适用于多种复杂的环境。

2.2.3 低空探测性能好

激光雷达的工作原理为只要照射到物体，物体就会发生反射，不会受到期间一些其他因素的影响，可以在任何高度进行工作，拥有强大的低空探测能力。

2.2.4 体积小、质量轻

与微波雷达动辄数吨重的重量比，激光雷达整体身形要小巧很多，发射设备的直径一般只有几厘米，整套系统也只有几十斤，且拆装方便，能在任何需要的地点进行架设，操纵起来更加容易一些，且价格很低，可以被大多数人所接受。

2.3 激光雷达的缺点

激光雷达也存在一定的缺陷，首先就是受天气的影响比较大，在正常晴朗的天气里，激光的传播范围非常远，不受任何影响，而当遇到一些比较恶劣的天气时，它的传播距离就会大打折扣，受到极大的影响。比如工作波长为10.6μm的co2激光，是现有市面上在大气中传播性能最好的一种，但在恶劣天气中它的运行效能会比良好天气低6倍；激光雷达的波束过于狭窄，所以在搜索目标时就很困难，对于目标的检测效果和截获概率大大降低，搜索的范围变得非常小，所以，激光雷达的使用就只适用于一些特定的小目标。

3 国内外发展现状

3.1 国外激光雷达研究现状

20世纪60年代，美国研制出了世界上第一台红宝石激光器，主要用于环境感知技术研究，因此，国际上就开始了争相发展。1961年，美国检验并通过了第一台激光测距仪，并运用于军事，进入了实际使用阶段；1971年，美国军方使用了AN/GVS3激光测距仪进行军事观察用途。

随着科学技术的发展，激光扫描已经不能满足点对点的扫描接收要求，进而发展到了二维平面。20世纪90年代，可以对地形的图像进行成像的激光雷达得到了运用，如1995年美国TopScan公司开发的机载地形测量激光雷达，2003年德国Leica公司研制的ALS50系列地理勘测激光雷达。

近年来，随着整体科技的发展和人类生活的需要，激光扫描已经逐渐过度到了三维扫描的状态，并获得了高速发展，已经实现了商业化，比如法国的TopoSys公司、德国的Sick公司等。其中，美国Velodyne公司的产品性能和精度处于国际领先地位，几乎成为自动驾驶行业激光雷达选型的黄金标准，其16线、32线、64线产品被广泛应用在自动驾驶车辆上。无论是国际高校之间流行的自动驾驶研究竞赛，还是高科技公司进行的自动驾驶研究，他们都运用到了美国这家公司的激光产品。

3.2 国内激光雷达的发展现状

与国际水平相比较，中国的整体发展要晚一些，在20世纪80年代，航天工作者研制出激光测距机实现200 m内0.5 m误差的远程测距；另一方面，受军用激光协会的大力支持，国内研制出红宝石激光人造卫星测距机、用于复杂地形测绘的飞机机载激光航测仪。在2007年以前国内高校及研究院所在激光技术层面有较多积累，但是在激光产品商业化产品化上基本没有，主要激光应用场景基本依赖国外进口产品。2007年以后，国内激光雷达产品才开始逐渐被应用到军事、民用以及工业领域。

随着国内相关技术的发展以及对无人驾驶技术的不断追求，适应市场需要，国内也出现了几家激光雷达制造公司，例如北科天绘和雷神科技等，他们的产品也都得到了市场的认可，并逐步使用到无人驾驶汽车中来。但国内产品整体与国际相比，它的精度和稳定性差一些，因此为了适应国际需要，公司需要大力投入以紧跟国际步伐。国内外激光雷达生产厂家如表1所示。

表1国内外激光雷达生产厂家

4 激光雷达发展趋势

响应速度、驱动电压、旁瓣压缩等一些最基础的科学技术对于激光雷达的影响比较大，分别影响着激光雷达系统的扫描速度和功率等，材料性能的提升也会促进整体的性能提升。同时，对于驱动电压的缩小对降低系统的整体能耗具有重要的作用。

OPA的旁瓣压缩技术是通过对整体系统的扫描视角的不断提升，来获得更大范围的扫描，分辨率的不断提高也可以让系统获得更高的清晰度。因为，机械式的激光扫描设备安装过于困难，并且系统较为庞大，所以，目前的市场价格还是很高。为了尽量弥补缺陷，降低价格，研发人员通过夜以继日的研究终于解决了该问题。

MEMS器件是一种从机械向固态转变的过渡型方案，它的特点就是小型和速度快，并且MEMS拥有可以忍受较大热压的结构，所以可以承受更多的激光能量，同时，它的整体单元尺寸过于庞大，所以它受环境影响的概率又提高了，振动等因素的不断发展变化又让它不断提升。随着激光雷达的不断发展，整体数据性能的提升，它的图像质量也会提高，让整体的设备发展中存在着各种发展的可能性，提升了人的使用过程，让人对环境的分析程度得到了加深。

相比于其他产品，液晶光学相控阵器件在整体空间架构方面的商业化运用更为广泛，它具有全固态、价格便宜、可以产业化制作的特点；缺点是它的反应速度要稍微慢一些，光束的可转向范围要更小一些。经过这么多年的发展，集成光波的单向控制芯片中拥有全固态、体积小的LiDAR解决方案得到了广泛的发展研究；另一方面，硅基材质的相控阵雷达也拥有了COMS的相同特点，价格降低，存在的缺陷是扫描速度还有待提升，可以通过采用硅基等离子体色散效应的相位调制器来满足更高速的应用需求。从现有的相控阵芯片的相关性能分布上看，相控阵雷达的大规模集成将增大激光雷达的反射面积和提高分辨率，但它也会加大电级排布的困难性。因此，对于一种高精度、高效率、小型化的电极的发明创造就显的极为重要了。

目前在研究比较热门的车载激光雷达领域，成熟商用的激光雷达大多是机械式激光雷达，行业龙头Velodyne公司成立于1983年，经过多年机械雷达研究的积累，行业地位很难动摇。Leddar Tech公司是MEMS激光雷达的代表公司。

国内的相关激光雷达公司的成立普遍要晚一些，北科天绘等新兴公司将大量的精力都投入到机械式激光雷达的改进方面，在MEMS的激光雷达应用领域还投入很少。北醒科技等其他一些公司在Flash激光雷达方面有较大的进展，出现了很多新产品。还有一些公司也在不断崛起，开发各种适用于人们生活的激光雷达，以提高人们生活的便捷程度。

总的来说，拥有大功率、大角度的扫描范围和高分辨率的全固态的小型化激光雷达设备是未来的发展方向，也需要相关人员和机构的不断投入。随着科学技术的不断提升，对于激光雷达快速发展的一些限制正在解除，所以，在不久的将来，更为先进的激光雷达设备将不断诞生。它的不断发展将继续推动人类生活的不断进步，提升人类整体生活的便利程度。同时，各企业和机构也需要不断地加大投入的力度，将夜激光雷达的发展和智能无人驾驶汽车的发展相融合，提升行业整体的发展水平，从最小的地方出发，发现最大的可能。