2.4 车载激光雷达

2.4.1 车载激光雷达概述

激光雷达是以发射激光束来探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统，它向目标发射探测信号（激光束），然后将接收到的从目标反射回来的信号（目标回波）与发射信号进行比较，做适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数。相比普通雷达，激光雷达具有分辨率高、隐蔽性好、抗干扰能力更强等优势。

图2-25所示为激光雷达的工作原理，图中激光以红色实线表示，红色圆点表示发射的激光束遇到障碍物之后形成的测量点，超出测量范围以灰色虚线表示。

2.4.2 车载激光雷达的特点

激光雷达的优点是：激光束发散角小，能量集中；有更好的分辨率和灵敏度，可以获得幅度、频率和相位等信息；多普勒频移大，可以探测从低速到高速的目标；抗干扰能力强，隐蔽性好；激光雷达的波长短，可以在分子量级上对目标进行探测，且探测系统的结构尺寸可做得很小；可以检测到道路边缘，侧向检测效果好。其缺点是：易受天气影响，例如遇到空气中的雾霾后会形成反射，误判断为遇到了障碍物，将导致错误的驾驶行为；扫描频率低，成本高，激光束窄，难以搜索和捕获目标；不能准确识别物体的颜色和种类；不能识别文字等信息。图2-26所示为各种类型的雷达特点对比图。

2.4.3 车载激光雷达的分类

目前激光雷达广泛应用在测绘、气象监测、安防、自动驾驶等领域。激光雷达是实现汽车自动驾驶不可或缺的关键传感器。目前市面上可见的车载激光雷达基本都是机械式的，其典型特征就是会旋转，当然也有混合固态激光雷达，即外面不转，里面仍有激光发射器进行旋转的种类。但除了这两种激光雷达外，因使用的技术不同，还分为多种激光雷达。

1.按照功能划分

激光雷达按功能的不同进行分类，有激光测距雷达、激光测速雷达、激光成像雷达和激光跟踪雷达等。

1）激光测距雷达。激光测距雷达是利用飞行时间来确定被测物体与测试点的距离，智能网联汽车需要激光雷达具备这样的功能。图2-27所示的雷达就属于激光测距雷达。

2）激光测速雷达。激光测速雷达是通过对被测物体进行两次有特定时间间隔的激光测距，从而得到该被测物体的移动速度，智能网联汽车需要激光雷达具备这样的功能。

3）激光成像雷达。激光成像雷达是利用雷达不间断扫描的功能勾画出物体的轮廓形状，智能网联汽车需要激光雷达具备这样的功能。

4）激光跟踪雷达。激光跟踪雷达是利用雷达技术连续确定目标的位置变化，从而实现跟踪，智能网联汽车需要激光雷达具备这样的功能。

2.按照介质划分

激光雷达按激光介质的不同进行分类，有气体激光雷达、半导体激光雷达和固体激光雷达等。

1）气体激光雷达。气体激光雷达以CO₂激光雷达为代表，工作在红外波段，大气传输衰减小，探测距离远。

2）半导体激光雷达。半导体激光雷达能以高重复频率方式连续工作，具有长寿命、小体积、低成本和对人眼伤害小的优点，中汽恒泰智能网联汽车上就采用这种类型的激光雷达。

3）固体激光雷达。固体激光雷达的峰值功率高，输出波长范围与现有的光学元器件以及大气传输特性相匹配，效率高、体积小、重量轻、可靠性高和稳定性好。图2-28所示为固体激光雷达。

3.按照线数划分

激光雷达按线数的不同进行分类，有单线激光雷达和多线激光雷达。

1）单线激光雷达。单线激光雷达主要用于规避障碍物，扫描速度快、分辨率强、可靠性高。其缺点是只能平面式扫描，不能测量物体高度，有一定的局限性。

2）多线激光雷达。多线激光雷达主要应用于汽车的雷达成像，相比单线激光雷达在维度提升和场景还原上有了质的改变，可以识别物体的高度信息。多线激光雷达常规是2.5D，有的也可以做到3D。图2-29所示为多线激光雷达。

2.4.4 车载激光雷达的安装位置

如图2-30所示，激光雷达安装位置分为两大类：一类安装在智能网联汽车的四周，另一类安装在智能网联汽车的车顶。对于装在智能网联汽车四周的激光雷达，其激光线束一般小于8，常见的有单线激光雷达和4线激光雷达。对于安装在智能网联汽车车顶的激光雷达，其激光线束一般不小于16，常见的有16、32、64线激光雷达。不管安装在什么位置，均需要满足以下要求。

1）首先根据雷达抗振动和冲击能力，确定是否需要减振支架。

2）如果不需要减振支架，可以使用安装吊耳固定或者雷达上面的其他固定螺钉孔。

3）避障雷达要求水平朝上倾斜5°左右，以解决高反射物体的探测。

4）测量雷达要求安装平面尽可能与地面平行，用于提高普通定位精度。这是因为如果有倾斜角度的话，雷达在不同位置探测出来的轮廓会有较大误差，最终影响定位精度。

5）激光头安装的位置最好低于200mm，约170mm的高度安装位置最佳（即可做安全避障，又可以做测量用）。根据车身结构去选择雷达正向安装或倒置安装都可以。

6）在雷达布置上面，可以选择车头中间位置或者车的四个对角点。如果布置两个雷达在车对角，就可以实现车身360°都被激光雷达探测到，从而避障无死角。

7）不同车体，雷达的安装x、y方向和旋转姿态会有误差，最终导致理论相同的定位点，车体却有不同的位置和姿态。系统需要设置这三个误差的补偿值，从而保证其一致性。

2.4.5 车载激光雷达的元件组成

激光雷达主要构成要素包括发射系统、接收系统和信号处理系统，如图2-31所示。

1）发射系统：由激光光源周期性发射激光脉冲，光电旋转编码器控制发射激光的方向和线束，最后通过转镜将激光发射至目标物体。

2）接收系统：接收器接收被测物体反射回来的激光，产生接收信号。

3）信号处理系统：接收信号经过放大处理和数模转换，经由信息处理模块计算，获取目标表面形态、物理属性等特性，最终建立物体模型。

1.发射系统

发射系统是激光雷达中用于发射出激光的部件，是激光雷达的重要组成部分。发射系统发射的激光是不连续的，是以脉冲形式发送，发射系统在1s内产生的脉冲个数称为发射器的重频（全称为脉冲重复频率，英文简称PRF，即Pulse Repetition Frequency）。发射器的重频越高，单位时间内呈现在激光雷达上的点数就越多，因此也称为激光雷达的发射点频。激光雷达每秒发射的点数一般从几万点至几十万点左右，点数越多，越容易识别物体的特性。激光雷达发射系统的工作原理如图2-32所示。

2.接收系统

激光雷达的接收单元由接收光学系统、光电探测器和回波检测处理电路等组成，激光器发射的激光照射到障碍物以后，通过障碍物的反射会经由镜头组汇聚到接收器上。其功能是完成信号能量汇聚、滤波、光电转变、放大和检测等。

3.信号处理系统

信号处理系统的任务是既要完成对各传动机构、激光器、扫描机构及各信号处理电路的同步协调与控制，又要对接收机送出的信号进行处理，根据这些信息计算出目标物体的距离信息。对于成像激光雷达来说还要完成系统三维图像数据的录取、产生、处理、重构等任务。

2.4.6 车载激光雷达的工作过程

激光雷达向目标发射（激光束）探测信号，然后将接收到的从目标反射回来的信号（目标回波）与发射信号进行比较，做适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而对汽车周围环境等目标进行探测、跟踪和识别，如图2-33所示。

单线激光雷达和多线激光雷达的工作过程：

1.单线激光雷达的工作过程

单线激光雷达是指激光源发出的线束是单线的雷达。其特点是只有一路发射和一路接收。单束激光发射器在激光雷达内部进行匀速的旋转，每旋转一个小角度即发射一次激光，旋转一定的角度后，就生成了一帧完整的数据。单线激光雷达的数据缺少一个维度，只能描述线状信息，无法描述面，如图2-34所示。

2.多线激光雷达的工作过程

图2-35所示为多线激光雷达的光来分布，它能同时发射及接收多束激光的激光旋转雷达，多线激光雷达可以识别物体的高度信息并获取周围环境的3D扫描图。多线激光雷达通过多个激光发射器和接收器，在一个维度上高度旋转，但垂直方向的视场角很小，只有20°左右，且垂直方向的点分辨率也比较稀疏。主要应用在无人驾驶等实时性要求高、精度要求不高的领域。

2.4.7 车载激光雷达的测距原理

激光雷达工作时，发射机向空间发射一串重复性的、周期一定的高频窄脉冲。如果在电磁波传播的途径上有目标存在，那么激光雷达就可接收到由目标反射回来的回波。由于回波信号往返于雷达与目标之间，所以它将滞后于发射脉冲一个时间。由此可知，激光雷达从发射信号开始到接收目标反射回波的时间乘以光速就是激光雷达到目标物体的往返距离，这就是飞行时间测距法（TOF，Time of Flight），如图2-36所示。

2.4.8 车载激光雷达的测速原理

激光雷达测速的方法主要有两大类：一类是基于激光雷达的测距原理，以一定的时间间隔连续测量目标距离，用两次目标距离的差值除以时间间隔就可得知目标的速度值，速度的方向根据距离差值的正负就可以确定；另一类测速方法是利用多普勒频移，当目标与激光雷达之间存在相对速度时，接收回波信号的频率与发射信号的频率之间会产生一个频率差，相对速度越高，频率差越大。

多普勒频移是指当目标与激光雷达之间存在相对速度时，接收回波信号的频率与发射信号的频率之间会产生一个频率差，这个频率差就是多普勒频移。其数值为df=2v/λ。式中，df为多普勒频移，单位为Hz；v为激光雷达与目标间的径向相对速度，单位为m/s；λ为发射激光的波长，单位为m。

激光雷达发出一个频率为1,000MHz的脉冲微波，如果微波射在静止不动的物体上，被反射回来，其反射波频率不会改变，仍然是1000MHz。反之，如果物体在行驶，而且速度很快，那么根据多普勒效应，反射波频率与发射波的频率就不相同。通过对这种微波频率微细变化的精确测定，求出频率的差异，通过计算机就可以换算出汽车的速度了，如图2-37所示。

当目标向着激光雷达运动时，回波信号频率提高，表示激光雷达与被测目标的距离在减小；反之，回波信号的频率降低，则说明激光雷达与被测目标距离在增大。因此，只要能够测量出多普勒频移df，就可以确定目标与激光雷达的相对速度。对于车载激光雷达，就可以根据自身车速推算出被测目标的速度。

2.4.9 车载激光雷达的控制策略

车载激光雷达是一种移动型三维激光扫描系统，可以通过发射和接收激光束，分析激光遇到目标对象后的折返时间，计算出目标对象与车的相对距离，并利用收集的目标对象表面大量的密集点的三维坐标、反射率等信息，快速复建出目标的三维模型及各种图件数据，建立三维点云图，绘制出环境地图，以达到环境感知的目的。激光雷达采集到的物体信息呈现出一系列分散的、具有准确角度和距离信息的点，被称为点云，如图2-38所示。

2.4.10 车载激光雷达的应用实例

激光雷达应用于车载，最初主要应用在辅助驾驶方面，用来辅助保障行车安全，与汽车主动避障技术有关联，并且还应用在一些对路面状况的扫描，主要针对视野盲区进行扫描并呈现在电子屏幕，引起驾驶人注意。现在逐渐用在路面状况扫描、无人驾驶、点云图成像等方面。激光雷达应用在汽车上的相关技术有自动泊车技术、主动巡航技术、自动制动技术、无人驾驶技术等。

未来车载激光雷达的技术发展趋势主要表现在以下几个方面：首先，技术指标提升；其次，全固态是车载激光雷达的技术发展趋势；第三，未来的车载激光雷达须具备小型化和轻量化的特点；第四，环境适应和抗干扰能力是未来激光雷达技术发展需要克服的瓶颈。图2-39所示为激光雷达的发展趋势。