自动驾驶激光雷达为何如此重要？(上)

发布时间：

2024-07-10

如同我们在街头漫步时对周围环境的观察一样，自动驾驶汽车要独立完成行驶任务，也需要对周围环境进行精确的勘测。在这个过程中，激光雷达成为了自动驾驶汽车不可或缺的关键硬件之一，常常成为人们讨论的焦点。物体检测的方法可以分为决策层融合、决策与特征层融合以及特征…

如同我们在街头漫步时对周围环境的观察一样，自动驾驶汽车要独立完成行驶任务，也需要对周围环境进行精确的勘测。在这个过程中，激光雷达成为了自动驾驶汽车不可或缺的关键硬件之一，常常成为人们讨论的焦点。物体检测的方法可以分为决策层融合、决策与特征层融合以及特征层融合。在决策层融合的方法中，图像和点云各自产生物体检测的结果（Bounding Box），之后在统一的坐标系中进行合并。激光雷达在物体检测中扮演着至关重要的角色。

激光雷达的核心技术是一种光学遥感技术，它通过向目标物体发射光束，并接收目标物体反射回来的信号，将这些信号与发射的信号进行对比处理，从而获取目标物体的大小、速度等详细信息。激光雷达的应用范围非常广泛，包括但不限于测绘学、考古学、地理学、地貌学、地震学、林业、遥感以及大气物理学等领域。此外，激光雷达也常用于地图测绘、高度测量等测绘任务。

激光雷达的起源可以追溯到1960年代初，即激光发明之后不久。它通过结合激光对焦成像技术以及使用传感器和数字收集设备测量信号回传时间和计算距离的能力而诞生。激光雷达的首次应用出现在气象学领域，1971年阿波罗15号任务期间，它被用来探测月球表面，绘制月球的地貌图。

激光雷达是一种将激光技术与现代光电探测技术相结合的高级探测手段。它由发射系统、接收系统、信息处理等部分组成。发射系统包括各种类型的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器以及波长可调谐的固体激光器等，以及光学扩束单元。接收系统则采用望远镜和各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等组合。激光雷达可以采用脉冲或连续波两种工作模式，根据探测原理的不同，其探测方法包括米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射、荧光、多普勒等。

激光雷达是一种融合了激光、全球定位系统（GPS）和惯性测量单元（IMU）等多种技术的先进系统。与传统的雷达技术相比，激光雷达具备更高的分辨率、更好的隐蔽性以及更强的抗干扰能力。根据其功能的不同，激光雷达可以被分为成像雷达、测距雷达、大气探测雷达、测速雷达和跟踪雷达等几种类型。

成像雷达主要应用于目标探测和跟踪，能够获取目标的方位和速度信息。此外，成像雷达能够执行传统雷达无法完成的任务，例如探测水雷、潜艇和隐藏的军事目标等。

测距雷达通过向被测物体发射激光束并接收反射波，记录下激光束往返的时间差，从而计算出被测物体与测试点之间的距离。这种技术在工业安全检测领域中得到了广泛应用，例如在科幻电影中常见的激光墙，当有人非法闯入时，系统能够立即作出反应并发出警报。

在空间测绘领域，测距雷达也有着广泛的应用。然而，随着人工智能行业的快速发展，测距雷达已经成为机器人的重要组成部分，与同步定位与地图构建（SLAM）技术相结合，能够帮助机器人实现实时定位和导航，从而实现自主行走。

大气探测激光雷达主要用于探测大气中的分子、烟雾密度、温度、风向、风速以及水蒸气浓度等参数，以便对大气环境进行监测，并对暴风雨、沙尘暴等极端天气进行预警。

激光测速雷达是一种专门用于测量物体移动速度的设备，它通过执行两次激光测距操作，且两次操作之间存在固定的时间间隔，以此来计算被测物体的速度。激光雷达进行速度测量主要有两种方法。第一种是基于激光雷达的测距原理，即在固定的时间间隔内连续测量目标物体的距离，通过计算两次测量得到的距离差并除以时间间隔，可以确定目标物体的速度大小，根据距离差的方向可以判断速度的方向。这种方法的系统结构相对简单，但其测量精度有限，且主要适用于反射激光能力较强的硬质目标。

第二种测速方法是利用多普勒频移效应。当目标物体与激光雷达之间存在相对速度时，接收到的回波信号频率将不同于发射信号的频率，这个频率差即为多普勒频移。

跟踪雷达能够连续追踪特定目标，并测量其坐标，以提供目标的运动轨迹。这种技术不仅应用于火炮控制、导弹制导、外弹道测量、卫星跟踪和突防技术研究等领域，而且在气象、交通、科学研究等其他领域也越来越受到重视。

激光雷达根据其探测方式可以划分为直接探测激光雷达和相干探测激光雷达两种类型。

直接探测型激光雷达的基本构造与激光测距机类似。在工作过程中，发射系统发出信号，经目标物体反射后被接收系统捕获，通过测量激光信号往返传播所需的时间来确定目标物体的距离。目标的径向速度可以通过分析反射光的多普勒频移来确定，或者通过测量多个距离值并计算其变化率来求得速度。

相干探测型激光雷达分为单稳态和双稳态两种系统。在单稳态系统中，发送和接收信号共享同一个光学孔径，并通过发送-接收开关进行隔离。而在双稳态系统中，包含两个独立的光学孔径，分别用于发送和接收信号，因此不再需要发送-接收开关，其余部分与单稳态系统相同。

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