激光雷達(dá)是什么？
激光雷達(dá)（LiDAR，Light Detection and Ranging）是一種利用激光光束對周圍目標(biāo)進(jìn)行探測和測距的主動傳感器，其基本原理類似于傳統(tǒng)雷達(dá)，但采用光學(xué)信號代替無線電波進(jìn)行信息傳遞。激光雷達(dá)通過發(fā)射激光脈沖，并測量激光從發(fā)射到遇到物體后反射回來的飛行時間，從而計算出目標(biāo)的距離。當(dāng)前，車載激光雷達(dá)主要采用飛行時間法（ToF），部分系統(tǒng)正在嘗試調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）技術(shù)，這兩種技術(shù)各有優(yōu)缺點。ToF技術(shù)響應(yīng)速度快、探測精度高等優(yōu)勢，適用于大多數(shù)商業(yè)化應(yīng)用，而FMCW技術(shù)則具有直接獲取目標(biāo)速度信息和更強(qiáng)抗干擾能力等優(yōu)勢，雖然目前在硬件成本和技術(shù)實現(xiàn)上還存在一定難度，但有望隨著電子元器件性能提升而得到應(yīng)用。
激光雷達(dá)一般由發(fā)射模塊、接收模塊、掃描模塊以及控制與處理模塊構(gòu)成。發(fā)射模塊的核心在于激光器，其工作波長通常有905nm和1550nm兩種方案。905nm激光器由于采用硅基探測器、工藝成熟且成本較低，因而在車載激光雷達(dá)中得到廣泛應(yīng)用，但受限于安全功率限制，其探測距離相對較短；1550nm激光器在安全性和大氣穿透能力上更具優(yōu)勢，探測距離可達(dá)到300米以上，但由于相關(guān)材料成本較高且易受雨霧天氣中液態(tài)水的吸收影響，目前主要在對安全性要求極高的場景中使用。
接收模塊是激光雷達(dá)系統(tǒng)中至關(guān)重要的一環(huán)，其主要功能是捕捉反射回來的激光信號，并將其轉(zhuǎn)化為可供處理的電信號。該模塊一般由接收光學(xué)系統(tǒng)、濾光器、探測器及前端放大電路構(gòu)成。目前，激光雷達(dá)系統(tǒng)中的探測器技術(shù)主要集中在APD（雪崩光電二極管）和SPAD/SiPM（單光子雪崩二極管/硅光電倍增管）兩大方向。APD技術(shù)成熟、成本較低，但在靈敏度和動態(tài)響應(yīng)方面略顯不足；而SPAD/SiPM技術(shù)雖然在捕捉微弱信號方面有著更好的表現(xiàn)，但對系統(tǒng)整體設(shè)計要求較高。
掃描模塊的作用是使激光束在一定角度范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)掃描，以便構(gòu)建出車輛周圍環(huán)境的三維點云圖像。現(xiàn)階段市場上的掃描方案主要分為機(jī)械式、混合固態(tài)和純固態(tài)三種。機(jī)械式掃描方案通過電機(jī)帶動整個收發(fā)模塊旋轉(zhuǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)360°全景掃描，但其存在體積大、重量重、調(diào)校復(fù)雜、壽命較短等缺點；混合固態(tài)方案則通過將收發(fā)模塊與掃描機(jī)構(gòu)解耦，在保持較高掃描速度的同時，降低了體積和成本；而純固態(tài)方案采用基于光學(xué)相控陣或Flash掃描技術(shù)，無需機(jī)械運(yùn)動部件，因此具有高集成度、抗振性強(qiáng)和壽命長等優(yōu)點，雖然這一方案的成本較高，但被普遍認(rèn)為是未來車載激光雷達(dá)的發(fā)展方向。
控制與處理模塊則通過實時對激光雷達(dá)采集到的信號進(jìn)行放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號處理，實現(xiàn)對距離、角度、反射率等多維信息的提取，并將這些數(shù)據(jù)傳遞給上層的智能駕駛決策系統(tǒng)。現(xiàn)階段，多數(shù)系統(tǒng)因FPGA方案可編程性強(qiáng)且易于實現(xiàn)頻繁升級等優(yōu)勢，采用其作為核心控制芯片，但隨著自研SoC技術(shù)的不斷進(jìn)步，車載激光雷達(dá)在降低成本、提升數(shù)據(jù)處理效率方面有望獲得進(jìn)一步突破。
激光雷達(dá)為何不能被遮擋？又有哪些影響因素？
在行駛過程中，雨雪、沙塵暴等惡劣天氣將對激光雷達(dá)構(gòu)成直接影響。當(dāng)雨滴或雪花落在激光雷達(dá)視窗上時，會在表面形成一層液態(tài)或固態(tài)的薄膜，這層薄膜不僅阻礙了激光的正常出射和接收，還會導(dǎo)致部分激光信號在傳播過程中發(fā)生散射、衍射甚至吸收，從而使反射回來的信號強(qiáng)度明顯下降，系統(tǒng)在檢測到這種信號衰減后便會提示傳感器被遮擋。車輛在行駛過程中還容易受到泥沙、塵埃、樹葉等異物的污染，這些污染物附著在激光雷達(dá)保護(hù)窗上，會進(jìn)一步降低光學(xué)透過率，并引起額外的反射信號，干擾系統(tǒng)對真實環(huán)境的判斷。
此外，環(huán)境中的強(qiáng)光干擾、背景噪聲以及其他不穩(wěn)定因素也會對激光雷達(dá)的探測性能產(chǎn)生影響，尤其是在高反射率或低反射率目標(biāo)物上，這些干擾因素容易使得系統(tǒng)對回波信號的捕捉出現(xiàn)誤差，從而引發(fā)誤報警除了外部環(huán)境因素，激光雷達(dá)內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)的校準(zhǔn)誤差也是影響因素之一。采用機(jī)械或混合固態(tài)掃描方案的激光雷達(dá)，其內(nèi)部運(yùn)動部件在長期工作后可能會出現(xiàn)磨損、震動引起的偏差或校準(zhǔn)不準(zhǔn)等問題，導(dǎo)致激光束發(fā)射角度發(fā)生偏移，從而在部分掃描區(qū)域出現(xiàn)重疊或遺漏，進(jìn)而被系統(tǒng)識別為遮擋現(xiàn)象。
激光雷達(dá)被很多車企當(dāng)作主要的感知硬件，其數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性將直接決定車輛對環(huán)境的感知能力和決策反應(yīng)速度。一旦激光雷達(dá)數(shù)據(jù)因遮擋而出現(xiàn)異常，系統(tǒng)不僅會面臨探測范圍和精度下降的問題，而且多傳感器數(shù)據(jù)融合時可能會因輸入數(shù)據(jù)不一致而產(chǎn)生更大誤差，從而影響車輛對障礙物、行人和車道線的識別和判斷。為確保行車安全，在檢測到激光雷達(dá)數(shù)據(jù)異常時，部分智能駕駛系統(tǒng)會主動降低或關(guān)閉部分自動駕駛功能，迫使車輛切換至較低級別的駕駛輔助模式，這在一定程度上保障了安全，但同時也削弱了車輛的自動化水平和駕駛體驗。尤其在緊急情況下，若系統(tǒng)對環(huán)境信息的響應(yīng)速度下降，將直接影響車輛采取有效避讓措施的能力，增加安全隱患。小米汽車就在其高階智駕系統(tǒng)中引入了自主研發(fā)的激光雷達(dá)臟污/遮擋算法，旨在通過軟件層面的改進(jìn)降低因遮擋或臟污引發(fā)的誤報警率，并在一定程度上補(bǔ)償由環(huán)境干擾帶來的數(shù)據(jù)衰減。
激光雷達(dá)未來將如何發(fā)展？
很多車企都曾宣傳基于純視覺的感知方案，但由于純視覺的感知方案對決策系統(tǒng)的要求較高，這些車企又都無法完全拋棄激光雷達(dá)，激光雷達(dá)短期內(nèi)或無法完全被替代。隨著技術(shù)的改進(jìn)，激光雷達(dá)將朝著固態(tài)技術(shù)和高集成化設(shè)計等方向不斷邁進(jìn)。傳統(tǒng)的機(jī)械掃描方案雖然成熟，但存在體積大、壽命短以及易受振動影響等缺點，因此正逐步被固態(tài)激光雷達(dá)所替代。
固態(tài)方案通過采用光學(xué)相控陣或Flash掃描技術(shù)，無需機(jī)械運(yùn)動部件，在提高抗振性和使用壽命的同時，也能實現(xiàn)更高的系統(tǒng)集成度和更低的制造成本。新型光學(xué)材料和自清潔涂層技術(shù)的研發(fā)，也將從根本上改善激光雷達(dá)視窗的光學(xué)透過率，降低因臟污、劃痕或環(huán)境侵蝕所引起的信號衰減問題。雖然目前車載激光雷達(dá)主流仍以ToF技術(shù)為基礎(chǔ)，但FMCW技術(shù)憑借其獨(dú)特的抗干擾能力和可直接獲取目標(biāo)速度信息的優(yōu)勢，也正逐步進(jìn)入研發(fā)階段，未來有望成為高性能激光雷達(dá)的另一選擇。
激光雷達(dá)遮擋問題或許反映了當(dāng)前技術(shù)在應(yīng)對復(fù)雜外部環(huán)境時的局限性，但也為行業(yè)技術(shù)革新提供了重要契機(jī)。未來，隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)和多傳感器融合技術(shù)的日益成熟，激光雷達(dá)系統(tǒng)必將實現(xiàn)更加精準(zhǔn)和穩(wěn)定的環(huán)境感知，為實現(xiàn)更高級別的自動駕駛提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障。
編者語：「智駕最前沿」微信公眾號后臺回復(fù)：C-0725，獲取本文參考報告：《激光雷達(dá)行業(yè)首次覆蓋：高階智駕新篇章精準(zhǔn)感知新航向》pdf下載方式。
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