激光雷达

激光雷达——提高车辆安全性、效率和自主性

创新的激光雷达传感器是未来汽车工业的关键技术。如果没有激光雷达支持，许多在自主驾驶中发挥作用的自动化流程有时可能难以实施。数千个单独的距离测量值由每秒10到30个3D图像组成，从而产生车辆环境的精确三维图像。与雷达测量类似，传感器有助于识别障碍物和测量距离。

 什么是（LiDAR）激光雷达 – Light Detection and Ranging，简称LiDAR

与雷达测量不同，激光雷达（LiDAR）使用光学测量方法，正如名称中的“光”一词所揭示的那样。
激光束从传感器发射并被物体反射。然后，反射的激光束被传感器接收，并由连接的计算机单元进行评估。

各种技术方法可用于评估激光束发射。

激光雷达技术是如何工作的？

目前最常用的方法是所谓的飞行时间测量（ToF）。

发射脉冲红外激光（850和905纳米）并测量传输时间，直到反射光束再次被传感器检测到。这里的挑战在于，日光中存在的相同波长的红外成分由于噪声会对光束产生负面影响。为此，激光脉冲被赋予一个类似于摩尔斯电码的代码。仅评估具有相同代码的接收信号。
不管怎么说，激光束需要非常高的光输出，这样发射的脉冲就不会在更远的距离上消失在噪声中。然而，为了保护人眼，发射功率必须受到限制。这限制了ToF方法的范围。其目的是在200米外识别出涂有黑色油漆的汽车。目前，最大范围为80～100米。
为了确定移动的人或物体的速度，需要使用这种方法进行多次测量。目前正在研究算法（萤火虫过程），以扩大ToF方法的范围。

萤火虫过程依赖于假设试验，它在噪声信号中使用像素的运动模式来确定哪些是现实的，哪些是不现实的。这意味着只有“真正的”测量点才会根据物理极限运行。这样就可以过滤掉“错误”的测量点。

一种较新的方法是调频连续波（FMCW）方法。
FMCW已在雷达技术中广为人知，但目前尚未批量用于 LiDAR。

使用FMCW方法对发射的激光束（1550 nm）进行连续调制并发出“啁啾”鸣叫声（chirping）。这意味着信号的频率会周期性地增加和减少。如果激光束击中物体，就会在物体上反射。由于传播时间和频率的周期性变化，接收波束的频率与刚发送的波束频率存在偏差。这两个频率之间的差值与距离成正比，因此提供了到物体距离的信息。如果物体移动，则由于多普勒效应而产生额外的频移。这样也可以确定物体的速度。

波长为1550 nm的系统（FMCW-LiDAR）对太阳辐射的抵抗力更强，并且可以以显著降低的光输出以及对眼睛更舒适的方式（眼睛安全性提高40倍）工作。FMCW-LiDAR还提供比 ToF-LiDAR更高的分辨率。

激光雷达传感器

第一批激光雷达传感器非常昂贵（>10,000欧元），而且机械结构复杂。因此，在车辆中的批量使用令人存疑。旋转的反射镜将激光束逐行引导到所需的方向，就像扫描仪一样。为此所需的机械装置非常大且重，并且对旋转部件的精度要求最高。
此外，这些扫描仪对振动和冲击非常敏感。直至不需要任何机械部件的所谓固态传感器被开发出来时，进入量产车的道路才似乎变得清晰起来。预计未来价格将稳定在3位数范围内。
在部分卡片大小的传感器阵列上，发射器和接收器可以实现大约80行，每行100多个点。以这种方式可以记录每秒25帧。
如果将其中几个传感器战略性地放置在车辆上，则可以实现360°的全方位视野。

 

激光雷达传感器的优点和缺点

激光雷达传感器能够生成车辆周围环境的完整三维图像。
这个图像没有留下任何解释的余地，并产生真实的3D数据。
激光雷达可以非常精确地确定物体的距离和速度。

然而，激光雷达传感器有两个严重的缺点：

• 它们看不到颜色，这使得它们无法阅读交通标志。
• 它们无法处理起雾的问题——由于空气潮湿，红外激光无法再提供可靠的数据。

激光雷达传感器

激光雷达传感器是使自主驾驶更加安全并成为现实的重要组成部分。
然而，在实践中，该技术也有相当大的缺点。大多数汽车制造商都同意，未来需要将激光雷达、雷达、摄像头技术和GPS（传感器融合）相结合，才能在交通困难的路段自主驾驶汽车。