漫談自動駕駛雷射雷達和新型探測技術

2020-11-22 OFweek維科網

說到「雷達」，小夥伴們的腦海裡大概立馬能蹦出戰爭片中「報告長官，雷達上發現敵艦靠近！」這樣的對白。這裡所謂的「雷達」（Radar）一般是指利用電磁波探測目標的電子設備，全稱是Radio Detection and Ranging，無線電探測和測距，很多人也叫它「無線電定位」。

不過，接下來我們要介紹的並不知道我們熟悉的這個「雷達」概念，而是利用光來進行探測和定位的手段——「雷射雷達」。

什麼是雷射雷達？

如今，「雷射雷達」已不是什麼陌生的概念了，特別是隨著自動駕駛的熱潮，它也備受矚目。

自動駕駛

雷射雷達實際上是一種工作在光學波段（近紅外）的雷達，最早對它的定義是LIDAR，即 Light Detection and Ranging。不過，更準確的應該是「LADAR」這種叫法，即Laser Detection and Ranging，雷射探測和測距。

特點

與同樣在汽車中有著一定應用的微波雷達相比，工作在光學波段的雷射雷達其頻率比微波高2-3個數量級以上，有著更高的距離解析度、角解析度和速度解析度。因此，雷射雷達在測量過程中可帶來距離、角度、反射強度、速度等更豐富的信息，憑藉這些數據便可生成目標多維度的圖像，協助我們或系統對探測目標擁有更詳細的認知。

另外，由於雷射波長短，能發射發散角非常小（μrad量級）的雷射束，多路徑效應小，即不會形成定向發射，與微波或者毫米波產生多路徑效應，抗幹擾能力強，可實現低空、超低空目標的探測。而雷射主動探測擁有不依賴於外界光照條件或目標本身輻射的特性，只需通過探測自身發射的雷射束的回波信號來獲取目標信息，所以還可實現全天候的工作。不過，雷射雷達易受大氣條件以及工作環境的煙塵影響，要實現全天候的工作環境在目前來講還是最困難的事情。

原理

實際上，雷射雷達技術的前提是雷射測距技術。我們通常能見到的測距方法，從大類上可以分為：雷射飛行時間（Time of Flight，TOF）法和三角法。簡單來講，它們分別適用於長距離測距和短距離測距。

TOF測距原理示意

而TOF法又可分為：

a）脈衝調製（脈衝測距技術），利用被測目標對光信號的漫反射來測距；

b）相位調製，對雷射連續波進行強度的調製，通過相位差來測量距離信息。

而雷射雷達對不同方法的選擇主要取決於它的種類和實際應用。

分類

雷射雷達也分很多類別。從調製出發，目前主要有直接探測雷射雷達和相干探測雷射雷達。現在常見的，包括自動駕駛、機器人、測繪所用的，基本上屬於直接探測雷射雷達。比較特殊的，比如測風、測速之類的雷達，則一般採用的是相干調製。

直接探測類型的雷射雷達應用

中國海洋大學研發的車載都卜勒測風雷射雷達

圖片來源：qingdaonews.com

如果從應用出發，那分類就較多了，比如雷射測距儀、雷射三維成像雷達、雷射測速雷達、雷射大氣探測雷達等等。其中，雷射三維成像雷達就包含了我們熟知的雷射測繪，以及自動駕駛中的單線雷射雷達和多線雷射雷達。

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