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傻子用激光雷達(dá)！就像人身上長了一堆闌尾一樣無用！

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一天，鋼鐵俠馬斯克說了這樣一句話：

當(dāng)他公開說這句話時，我們所知道的自動駕駛領(lǐng)域分為視覺攝像頭和激光雷達(dá)。當(dāng)然，更不用說馬斯克的激光雷達(dá)是否準(zhǔn)確了，但激光雷達(dá)確實已經(jīng)成為各汽車公司發(fā)展的焦點。最近的2021年廣州車展就是一個很好的例子，有很多Anpec代理激光雷達(dá)組裝在一些新車上。因此，激光雷達(dá)似乎已成為主要汽車公司實現(xiàn)高級自動駕駛的重要組成部分。那么，它真的像馬斯克說的那樣無用嗎？

激光雷達(dá)初識

英語激光雷達(dá)Lidar（Light Detection and Ranging），它是一種以激光為載體進(jìn)行測距和探測的傳感器。它也是一種雷達(dá)，但與我們常見的毫米波雷達(dá)和超聲波雷達(dá)不同，激光雷達(dá)使用激光束進(jìn)行探測。

早在激光雷達(dá)推出之前，主流汽車公司就采用了以毫米波雷達(dá)和攝像頭為核心的感知機構(gòu)。首先，毫米波雷達(dá)是一種雷達(dá)傳感器，利用天線發(fā)射毫米波作為放射波，通過處理目標(biāo)反射信號獲取汽車與其他物體的相對距離、相對速度、角度和運動方向。然而，毫米波雷達(dá)只能簡單地獲得前面是否有障礙物，但不能準(zhǔn)確識別障礙物的類別，這將導(dǎo)致幽靈制動現(xiàn)象。

一般來說，由于系統(tǒng)算法的問題，傳統(tǒng)的毫米波雷達(dá)會自動過濾掉靜態(tài)物體，但不同的硬件和系統(tǒng)方案有不同程度的過濾，這也是幽靈制動的來源。例如，過濾不危險的障礙物太少，當(dāng)?shù)缆飞系囊恍┙饘偎槠�反射時，會出現(xiàn)類似的緊急制動，因此道路標(biāo)志、高速攝像頭龍門架、兩側(cè)護(hù)欄，甚至道路上的金屬瓶等，可以反射回波物體將被毫米波雷達(dá)識別為障礙物，因此在車輛自動駕駛時，系統(tǒng)自動減速、誤剎車。

作為輔助駕駛的必要傳感器之一，車載攝像頭可以感知車輛周圍的情況，實現(xiàn)前碰撞預(yù)警、車道偏差預(yù)警、行人檢測、自動停車等自動駕駛功能，提高駕駛安全性。此外，由于其設(shè)置位置不同，車載攝像頭還具有一定的需求特性和應(yīng)用場景，是一種非常系統(tǒng)的存在。其中，環(huán)視和后視一般采用135度以上的廣角鏡頭，探測距離在10米以內(nèi)。前置攝像頭對視距要求較大，視角范圍一般為40-70度，視距要求一般在120米以上，雙目攝像頭視距一般小于單目攝像頭。

西奧多·梅曼

由于激光具有很強的方向性，并結(jié)合了光的垂直物理特性，因此最好作為測距工具。1967年7月，美國人第一次載人登月，并在月球上安裝了一個發(fā)射器來計算地球和月球之間的距離。

事實上，激光雷達(dá)的原理也與之相似，可以看作是用多個激光測距儀工作，再比如：

作為非專業(yè)小白，面對市場上琳瑯滿目的激光雷達(dá)產(chǎn)品，我們應(yīng)該如何認(rèn)識其性能？一般來說，激光雷達(dá)有很多參數(shù)，包括激光波長和探測距離FOV(垂直 測距精度、角分辨率、出點、線束、安全等級、輸出參數(shù)、IP保護(hù)等級、功率、電源電壓、激光發(fā)射(機械/固態(tài))、使用壽命等。

但作為我們，只要專注于思考。他們是什么？讓我們一個一個地說。

激光波長

波長是指波在振動周期內(nèi)傳播的距離。激光波長越大，繞射能力越強，遠(yuǎn)處不規(guī)則物體的識別越清晰。市場上的激光雷達(dá)波長分為905nm和1550 nm兩種。波長為905nm以硅基光電探測器為發(fā)射源，具有成本低、技術(shù)成熟的優(yōu)點。但它也有缺點，即905nm激光源對人眼有一定的傷害。雖然它是一個看不見的光源，但在一定的能量下，當(dāng)波長的激光照射到人類的眼睛時，它會灼傷視網(wǎng)膜。因此，用作激光雷達(dá)發(fā)射源時，應(yīng)降低功率。因此，它的抗天氣干擾能力較弱，對雨霧的滲透性不足。

雖然兩者都是根據(jù)光的傳播來確定目標(biāo)的距離，但三角形雷達(dá)只有在近距離時才具有最高的精度。如果探測遠(yuǎn)距離目標(biāo)，目標(biāo)圖像越遠(yuǎn)CCD當(dāng)測量值超過一定距離時，傳感器上的位置差和角度也越來越小，CCD很難區(qū)分，所以不適合遠(yuǎn)距離測量。而TOF脈沖激光采樣依賴于飛行時間，時間精度不會隨著長度的增加而變化TOF能嚴(yán)格控制視場，減少環(huán)境光的影響。與三角測距法相比，TOF在長距離范圍內(nèi)，雷達(dá)可以測量更遠(yuǎn)的距離并保持更高的精度。

激光線束

當(dāng)我們?nèi)チ私饧す饫走_(dá)時，我們經(jīng)常聽到的最多的參數(shù)是這個激光雷達(dá)有多少線束，那么多少線束與它有什么關(guān)系呢？

一般來說，激光雷達(dá)分為單線和多線，多線可繼續(xù)細(xì)分為4線、8線、16線、32線、64線和128線。事實上，這里的線束是指激光雷達(dá)發(fā)出的激光信號，而單線激光雷達(dá)只能進(jìn)行平行掃描探索，而不是垂直掃描探索。因此，雖然它在掃描速度和分離率方面表現(xiàn)良好，但由于無法測量物體的高度，它在使用上有很大的局限性，因此只能用于伺服機器人，即掃地機器人。

角分辨率

激光雷達(dá)輸出的圖像也被稱為點云圖像，相鄰兩點之間的夾角是角分辨率。一般來說，角分辨率分為垂直分辨率和水平分辨率兩種。其中，水平分辨率高并不難，因為水平分辨率是由電機驅(qū)動的，所以水平分辨率可以很高。一般可達(dá)0.01度。垂直分辨率與發(fā)射器的幾何大小和排列有關(guān)，即相鄰兩個發(fā)射器之間的間隔越小，垂直分辨率越小，垂直分辨率為0.1~1度級。此外，由于激光雷達(dá)的采樣率是一定的，幀率越高，角分辨率越低；幀率越低，角分辨率越高。

例如，激光雷達(dá)的最小角分辨率0.08°幀率10對應(yīng)Hz當(dāng)幀率設(shè)置為20時Hz當(dāng)角分辨率自動變?yōu)?時.16°。采樣率表示激光雷達(dá)每秒有效采集的次數(shù)，可直觀理解為一秒內(nèi)產(chǎn)生的點云數(shù)。角分辨率和幀率可以計算采樣率：角分辨率0.08°每幀點云數(shù)：360°/0.08°=4500；每秒10幀，每秒點云數(shù)：4500×10=45000；所以PAVO的采樣率為45kHz。

出點數(shù)

這很容易理解。它是激光雷達(dá)每秒發(fā)射的激光點。激光雷達(dá)的點數(shù)一般從幾萬到幾十萬不等。例如，性能為64線，水平FOV是120°，水平分辨率為10Hz掃描頻率為0.2°在這種情況下，它的轉(zhuǎn)換等于:激光可以單次打64點，掃描120點°能打出64x120/0.2=38400，1秒掃描10次，共38400 pts/s。所以點越多，掃描效果越好。

除上述幾點外，激光雷達(dá)還應(yīng)注意對深色物體的檢出率和對環(huán)境光抗的干擾。

深色物體檢出率

在我們生活的世界里，一切都是豐富多彩的，但深色會吸收大部分光能（如：黑色自制太陽能熱水器），所以激光雷達(dá)激光信號在白色物體和深色物體檢出率非常不同，現(xiàn)在大多數(shù)物體主要是深色，所以激光雷達(dá)對深色物體的檢出率非常重要。

目前，市場上銷售的激光雷達(dá)以90%反射率的白紙（漫反射對象）作為測試參考基準(zhǔn)，但有效檢測深色數(shù)據(jù)也是一個重要的性能指標(biāo)。至少在正常情況下，一稱超過10米的激光雷達(dá)可以有效檢測至少6米的深色物體。

環(huán)境光抗干擾能力

環(huán)境光除了檢測深色物體外，還會影響激光雷達(dá)的檢測，包括陽光或室內(nèi)照明，會影響雷達(dá)傳感器，產(chǎn)生噪聲，也會導(dǎo)致雷達(dá)的有效測量距離變短或完全無法測量距離。因此，能否區(qū)分環(huán)境光對激光雷達(dá)的調(diào)整、系統(tǒng)和算法有很高的要求。

探索激光雷達(dá)的類別

以上只是激光雷達(dá)的工作方式。根據(jù)不同的掃描方法，可分為旋轉(zhuǎn)機械激光雷達(dá)、混合半固態(tài)雷達(dá)和全固態(tài)雷達(dá)。

機械激光雷達(dá)

機械激光雷達(dá)一般采用360度旋轉(zhuǎn)掃描法，可物理旋轉(zhuǎn)周圍環(huán)境3D掃描形成全面覆蓋形成點云。

然而，它也有缺點。首先，高頻旋轉(zhuǎn)和復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)使其平均故障時間僅為1000-3000小時，難以滿足汽車級設(shè)備最低1.3萬小時的要求。此外，機械激光雷達(dá)的放置位置應(yīng)放置在車輛的最高點，因此不僅占地面積過高，而且也需要加固和改造，這影響了車輛的重心安全。此外，限制它最重要的是昂貴！八萬起，一定是美刀。

純激光雷達(dá)

與上述機械結(jié)構(gòu)雷達(dá)相比，由于沒有復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，純固態(tài)激光雷達(dá)大大提高了產(chǎn)品的耐久性，并有效地壓縮了整個設(shè)備的體積。市場上常見的固態(tài)雷達(dá)分為OPA光學(xué)相控陣和Flash閃光兩種。

OPA（Optical Phased Array）激光雷達(dá)，光學(xué)相控陣

在提到這種形式的激光雷達(dá)之前，我們先來看看什么是相陣控。

我們生活中最常見的例子是水波。例如，在一個方形的池中，兩個由振動引起的兩個水波會在交匯處相互疊加。如果兩列波在某些方向相互增強，而另一些是抵消，則可以很容易地控制水波的方向。

因此，如果基于這一現(xiàn)象，將使用多個光源組成陣列，通過控制每個光源發(fā)射的時差，可以合成靈活、精確、可控的主光束，這是相控陣列的原理。實際上，使用這一原理的設(shè)備是軍事上常用的相陣控雷達(dá)。通過控制相控陣?yán)走_(dá)平面陣列各陣元的電流相位，可以干擾不同位置的波源，從而指向特定方向。掃描效果可以通過往復(fù)控制相位差來實現(xiàn)。

美國常見的軍用相陣控雷達(dá)，如阿利·在伯克級驅(qū)逐艦上AN/SPY-1D宙斯盾相陣控雷達(dá)和中國052C346海星相陣控雷達(dá)配置在導(dǎo)彈驅(qū)逐艦上。

“阿利·在伯克級驅(qū)逐艦上AN/SPY-1D宙斯盾相陣控雷達(dá)

但棱鏡激光雷達(dá)最大的缺點是FOV(視角)小，需要搭配多個棱鏡激光雷達(dá)覆蓋視場補盲。

激光雷達(dá)在其他領(lǐng)域

激光雷達(dá)除了測距功能外，還開發(fā)了激光跟蹤、激光速度測量、激光掃描成像等技術(shù)，廣泛應(yīng)用于我們生活的周邊設(shè)施。

例如，我們在3中很常見D激光雷達(dá)主要用于測量和監(jiān)控打印物，以減少生產(chǎn)誤差。在我們居住的城市，激光雷達(dá)將用于速度測量，其探測距離比傳統(tǒng)速度測量雷達(dá)更遠(yuǎn)、更準(zhǔn)確。

激光雷達(dá)主要用于漁業(yè)資源調(diào)查和海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測。其中，工業(yè)資源調(diào)查采用藍(lán)綠色脈沖光作為刺激光源。通過識別和提取激光回波信號，可以識別魚的分布區(qū)域和密度信息，并結(jié)合偏振特分析。海洋激光熒光雷達(dá)常用于海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測，通過探測和分析激光誘導(dǎo)目標(biāo)發(fā)射的熒光等光譜信號，獲得海洋浮游生物和葉綠素的種類和濃度分布信息。

此外，激光雷達(dá)還可廣泛應(yīng)用于危險預(yù)報、醫(yī)學(xué)掃描、軍事檢測等領(lǐng)域。