華為激光雷達(dá)工作原理

最近華為的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在網(wǎng)上刷屏了，該自動(dòng)駕駛系統(tǒng)著實(shí)讓國(guó)人眼前一亮，讓華為在國(guó)人心中的地位得到了進(jìn)一步提升。那華為這套自動(dòng)駕駛系統(tǒng)與特斯拉和其他自主品牌自動(dòng)駕駛系統(tǒng)最大的區(qū)別在哪呢?從視頻中搭載華為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的車輛的前臉上，有三個(gè)顯眼的雷達(dá)" target="_blank">激光雷達(dá)，今天小編就給大家介紹一下激光雷達(dá)的一些知識(shí)。

激光雷達(dá)的定義

激光雷達(dá)是工作在光頻波段的雷達(dá)，它利用光頻波段的電磁波先向目標(biāo)發(fā)射探測(cè)信號(hào)，然后將其接收到的同波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)相比較，從而獲得目標(biāo)的位置(距離、方位和高度)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(速度、姿態(tài))等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)、跟蹤和識(shí)別。

激光雷達(dá)的分類

激光雷達(dá)根據(jù)安裝位置的不同可分為兩大類：一類安裝在無(wú)人駕駛汽車的四周，另一類安裝在無(wú)人駕駛汽車的車頂。

安裝在無(wú)人駕駛汽車四周的激光雷達(dá)，其激光線束一般小于8線，常見(jiàn)的有單線激光雷達(dá)和四線激光雷達(dá);安裝在無(wú)人駕駛汽車車頂?shù)募す饫走_(dá)，其激光線束一般不小于16線，常見(jiàn)的有16線/32線/64線激光雷達(dá)。車載激光雷達(dá)普遍采用多個(gè)激光發(fā)射器和接收器，建立三維點(diǎn)云圖，從而達(dá)到實(shí)時(shí)環(huán)境感知的目的。

激光雷達(dá)的特點(diǎn)

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。通常激光雷達(dá)的角分辨率不低于0.1mard，也就是說(shuō)可以分辨3km距離上相距0.3m的兩個(gè)目標(biāo)，并可同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo);距離分辨率可達(dá)0.1m;速度分辨率能達(dá)到10m/s以內(nèi)。

探測(cè)范圍廣　探測(cè)距離可達(dá)300m左右。

信息量豐富　可直接獲取探測(cè)目標(biāo)的距離、角度、反射強(qiáng)度、速度等信息，生成目標(biāo)多維度圖像。

全天候工作　激光主動(dòng)探測(cè)，不依賴于外界光照條件或目標(biāo)本身的輻射特性，它只需發(fā)射自己的激光束，通過(guò)探測(cè)發(fā)射激光束的回波信號(hào)來(lái)獲取目標(biāo)信息;但容易受到大氣條件以及工作環(huán)境煙塵的影響，且不具備攝像頭能識(shí)別交通標(biāo)志的功能。

激光雷達(dá)系統(tǒng)的組成

智能網(wǎng)聯(lián)汽車激光雷達(dá)系統(tǒng)由收發(fā)天線、收發(fā)前端、信號(hào)處理模塊、汽車控制裝置和報(bào)警模塊組成。

收發(fā)天線　收發(fā)天線可安裝于車輛保險(xiǎn)杠內(nèi)，向車輛前方發(fā)出發(fā)射信號(hào)，并接收反射信號(hào)。

收發(fā)前端　收發(fā)前端是雷達(dá)系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)信號(hào)調(diào)制、射頻信號(hào)的發(fā)射接收及接收信號(hào)解調(diào)。

信號(hào)處理模塊　信號(hào)處理模塊自動(dòng)分析、計(jì)算出與前方車輛的距離和相對(duì)速度，并且防止轉(zhuǎn)彎時(shí)錯(cuò)誤測(cè)量臨近車道車輛的情況發(fā)生。

汽車控制裝置　汽車控制裝置是控制汽車的自動(dòng)操作系統(tǒng)，達(dá)到自動(dòng)減速慢速行車，或緊急剎車。通過(guò)限制發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、調(diào)節(jié)制動(dòng)力及變速器擋位，控制汽車行駛速度。

報(bào)警模塊　根據(jù)設(shè)定的安全車距和報(bào)警距離，以適當(dāng)方式給駕駛員報(bào)警，保障汽車安全行駛。

激光雷達(dá)的測(cè)距原理

激光雷達(dá)測(cè)距的基本原理是通過(guò)測(cè)算激光發(fā)射信號(hào)與激光回波信號(hào)的往返時(shí)間，從而計(jì)算出目標(biāo)的距離。首先，激光雷達(dá)發(fā)出激光束，激光束碰到障礙物后被反射回來(lái)，被激光接收系統(tǒng)進(jìn)行接收和處理，從而得知激光從發(fā)射至被反射回來(lái)并接收之間的時(shí)間，即激光的飛行時(shí)間，根據(jù)飛行時(shí)間，可以計(jì)算出障礙物的距離。根據(jù)所發(fā)射激光信號(hào)的不同形式，激光測(cè)距方式可分為脈沖法激光測(cè)距和相位法激光測(cè)距兩大類。

脈沖法激光測(cè)距　脈沖法是通過(guò)激光雷達(dá)的發(fā)射器發(fā)出脈沖激光照射到障礙物后會(huì)有部分激光反射回來(lái)，由激光雷達(dá)的接收器接收。同時(shí)激光雷達(dá)內(nèi)部可以記錄發(fā)射和接收的飛行時(shí)間間隔，根據(jù)光速可以計(jì)算出要測(cè)量的距離。

激光雷達(dá)和咱們都熟悉的倒車?yán)走_(dá)，物理原理是相通的。都是通過(guò)電磁波發(fā)射、反射，然后計(jì)算時(shí)間差得到環(huán)境和障礙物的距離信息。

汽車品牌之所以拼了命的撩撥激光雷達(dá)，是因?yàn)檫@東西正好彌補(bǔ)了攝像頭和毫米波雷達(dá)的缺點(diǎn)，激光雷達(dá)的探測(cè)距離更遠(yuǎn)，受環(huán)境變化的影響較小，而且精度較高，甚至能通過(guò)發(fā)射出去的電磁波描繪出周圍環(huán)境的3D圖像。不過(guò)，激光雷達(dá)從概念到裝車，可不是一帆風(fēng)順的。

從大蘑菇到豆腐塊

普羅大眾對(duì)于激光雷達(dá)的初認(rèn)知，最早始于谷歌這臺(tái)用于自動(dòng)駕駛開(kāi)發(fā)的小萌車，頭頂上的“大蘑菇”便是激光雷達(dá)的一種——機(jī)械式激光雷達(dá)。它的工作原理就跟我們看潛水艇、戰(zhàn)艦上的雷達(dá)掃描器一樣，通過(guò)快速的旋轉(zhuǎn)，實(shí)時(shí)掃描周圍3 60°的環(huán)境信息。所以機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)就很明顯了：視野非常廣!

但是，誰(shuí)愿意將來(lái)自己的車頂著個(gè)大蘑菇呢?太難看了吧!不僅如此，旋轉(zhuǎn)掃描的激光雷達(dá)涉及到機(jī)械結(jié)構(gòu)之間的相互運(yùn)動(dòng)，一定程度上也影響了激光雷達(dá)的可靠性和使用壽命。因此，我們對(duì)量產(chǎn)車激光雷達(dá)的訴求就誕生了：

1、縮小體積，別太顯眼，否則影響車輛美觀度;

2、降低機(jī)械結(jié)構(gòu)的參與，拓展使用環(huán)境和耐用性。

小時(shí)候咱們?cè)谡n堂上，有沒(méi)有拿小鏡片晃過(guò)老師?眾所周知，電磁波是可以反射的，那我可不可以固定住發(fā)射源，不讓它轉(zhuǎn)，而是讓電磁波在發(fā)射路徑上“旋轉(zhuǎn)跳躍”呢?于是，混合式激光雷達(dá)走進(jìn)了汽車廠商心中。混合式激光雷達(dá)內(nèi)部有一塊MEMS振鏡，在驅(qū)動(dòng)電路的帶動(dòng)下，MEMS振鏡產(chǎn)生高頻旋擺，而激光源是固定不動(dòng)的，打在振鏡上的電磁波就會(huì)在振鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)下，快速掃描鏡頭前方的環(huán)境。

說(shuō)白了，混合式激光雷達(dá)的激光源就好比是太陽(yáng)，MEMS振鏡就是你手中的小鏡片，黑板和老師就是被測(cè)物體，你用手(伺服電機(jī))瘋狂地帶動(dòng)小鏡片，在老師和黑板間打出移動(dòng)的光斑，全班同學(xué)(接收器)在歡笑聲中目送你罰站……這就是混合式激光雷達(dá)的工作過(guò)程。

不難看出，混合式激光雷達(dá)避免了大規(guī)模的機(jī)械旋轉(zhuǎn)，體積可以做得更小，也在一定程度上提高了可靠性。我們來(lái)看一款成品，2017年奧迪推出新一代A8，這也是混合式激光雷達(dá)首次搭載到量產(chǎn)車上面，布置于牌照區(qū)下方。從外面我們看不到激光雷達(dá)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，但它可以提供145°的水平視角，80米的有效探測(cè)距離。

混合式激光雷達(dá)，里面還是有個(gè)伺服電機(jī)，能否進(jìn)一步減少機(jī)械運(yùn)動(dòng)呢?可以!全固態(tài)激光雷達(dá)，其中“固態(tài)”指的就是內(nèi)部結(jié)構(gòu)全部固定，徹底不存在機(jī)械運(yùn)動(dòng)。目前，實(shí)現(xiàn)全固態(tài)有兩種途徑，一種是光學(xué)相控陣(OPA)，一種是閃光(Flash)。

咱們先說(shuō)相控陣，如果您是軍迷，想必對(duì)相控陣應(yīng)該不會(huì)太陌生。既然機(jī)械結(jié)構(gòu)不動(dòng)，我就讓電磁波自身發(fā)生變化!水波和光的雙縫實(shí)驗(yàn)，物理課上都講過(guò)吧，簡(jiǎn)單說(shuō)就是利用波的干涉特性，經(jīng)過(guò)縫隙后會(huì)在某個(gè)方向加強(qiáng)，其他方向減弱。相控陣激光雷達(dá)也是利用這個(gè)基礎(chǔ)原理，做了很多導(dǎo)管并排成陣列，激光光源經(jīng)過(guò)導(dǎo)管陣列后會(huì)發(fā)生多縫干涉，產(chǎn)生定向增強(qiáng)的波束。此時(shí)我們?cè)偃フ{(diào)節(jié)激光光源的波長(zhǎng)或相位，就能獲得激光掃描的效果。

而Flash激光雷達(dá)的原理，更像我們?cè)偈煜げ贿^(guò)的相機(jī)。它是直接用激光光源在傳感器上打出一個(gè)平面，照射到物體后再反射回來(lái)，記錄每個(gè)像素點(diǎn)的飛行時(shí)間并算出物體的距離甚至形狀。因此， Flash激光雷達(dá)也被稱為“面陣方案”，大家甚至可以把它簡(jiǎn)單理解成“激光3D相機(jī)”。

不過(guò)，相控陣和Flash在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用潛力還有待開(kāi)發(fā)，畢竟汽車的工作環(huán)境復(fù)雜、惡劣，對(duì)探測(cè)距離也有較高要求。OPA和Flash要達(dá)到2 00米以上的有效探測(cè)距離，同時(shí)控制住成本，還需要一步步的努力。

安全性需要擔(dān)心嗎?

很多人談“激光”色變，是因?yàn)榧す庠谖覀冇∠笾谐３０殡S著武器一起出現(xiàn)。事實(shí)上，激光也是電磁波的一種，而它的頻率高于可見(jiàn)光范疇，再加上激光切割、激光近視手術(shù)等名詞，這些都進(jìn)一步加深了人們對(duì)激光的恐懼心理。

拋開(kāi)劑量談毒性，都是耍流氓。事實(shí)上，車載激光雷達(dá)的安全性完全無(wú)需擔(dān)心。以國(guó)際電工委員會(huì)ICE對(duì)激光設(shè)備安全等級(jí)的劃分來(lái)看，Class1級(jí)要求“無(wú)生物性危害，不必特別管理”，符合這個(gè)等級(jí)的消費(fèi)品有激光教鞭、DVD播放機(jī)等等。同時(shí)，激光雷達(dá)的波長(zhǎng)一般不低于850nm，也是為了避開(kāi)可見(jiàn)光波段。市面上的車載激光雷達(dá)主要有兩種波長(zhǎng)，分別是905nm和1550nm，小鵬P5屬于前者，蔚來(lái)ET7屬于后者。綜合波長(zhǎng)、輸出功率、輻照時(shí)間等因素，車載激光雷達(dá)的安全等級(jí)要求也是Class1，目前來(lái)看還沒(méi)有敢在量產(chǎn)車上對(duì)人眼安全提出挑戰(zhàn)的廠商。

換句話說(shuō)，現(xiàn)階段我們見(jiàn)到的這些激光雷達(dá)車型，都是安全的。再去比較的話，1550nm的波長(zhǎng)會(huì)在電磁波到達(dá)視網(wǎng)膜之前就被晶狀體完全吸收掉，更是談不上對(duì)視力有什么傷害。也正是這個(gè)因素，蔚來(lái)ET7的激光雷達(dá)允許采用更高的功率，從而獲得更遠(yuǎn)的探測(cè)距離。這就涉及到接下來(lái)咱們要聊的——激光雷達(dá)的性能指標(biāo)了。