未來車之眼？五個問題帶你了解激光雷達

　　[汽車之家 技術] 無論接受與否，未來可能注定將由AI取代你成為汽車“方向盤”后方掌控全局的“人”。TA們看得更遠、懂得更多、反應更快，能自動避免擁堵，還能夠提前感知危險避免事故——最重要的，是這些機器人永遠不會酒后駕車，這就是自動駕駛時代為我們描繪的美好藍圖。今天我們要聊的，是自動駕駛時代車輛上一個必不可少的重要組件——激光雷達。為什么說激光雷達是自動駕駛時代的必需品？它同普通雷達相比有何優勢？我們對話了多位業內專家和企業，并通過下面五個問題來給大家科普一下。

這篇文章我們要聊到：

1、激光雷達的基本原理

2、激光雷達看到的是什么？

3、車載激光雷達有何不同之處？

4、現在車上已經有了各種各樣的雷達，為什么還需要激光雷達？

5、激光雷達還分固態和——“液態”？

Q1：為啥激光能做雷達？

　　Emmm…故事似乎要從一個多世紀前說起，在1916年，“天外來客”愛因斯坦首先描述了原子的受激輻射與自發輻射的關系，雖然我聽不懂，但是這個發現為后來制造激光奠定了基礎。在1960年，位于美國加州的休斯實驗室制造出了人類史上第一束激光。

　　激光的應用領域非常廣泛，從醫學手術、激光打印到未來星球大戰的激光武器不一而足，而其中一個重要的分支，就是用來測量距離。由于激光光束筆直（準確度高），且光子特性一致（抗干擾性好），所以是測量距離的理想介質。當發射源向目標物體發射光束，光束反射之后被傳感器接收，依據這期間的時間差，就可以計算出同目標物體之間的距離，這就是飛行時間測距法（Time of Flight,簡稱ToF）。

　　這便是激光雷達的基本原理，簡單來說，一個激光發射器和一個接收傳感器，就組成了激光雷達的基本結構。同世界上眾多尖端科技一樣，激光雷達最初也是應用于軍事領域。在1961年，休斯飛機公司推出了世界上第一個類似于激光雷達的系統，用于追蹤衛星。隨著技術發展成熟，激光雷達如今被應用于各種領域的測量勘探工作，從研究大氣成分、地質結構到全新的iPad Pro，以及我們將要重點講述的自動駕駛。

Q2：裝在汽車上的激光雷達有啥不一樣？

　　雖然前路漫漫，但是如今業界都對自動駕駛時代充滿了憧憬。對于自動駕駛的主體——汽車來說，如何像駕駛員一樣，或者比駕駛員對周圍的環境有更準確全面的認知，是實現自動駕駛的前提條件。而激光雷達精準測量的優勢，在目前來說是實現自動駕駛的不二選擇。根據激光測距的原理，一束激光理論上可以測量到一個點的距離，但是自動駕駛車輛需要對周圍環境進行全方位的感知，如果讓這束激光旋轉起來，就可以實現對周圍環境的360°測量，而一束激光旋轉之后，得到的是雷達與周圍一條線之間的距離。

【激光雷達基本工作原理】

　　汽車如果需要對周圍的環境有更加全面立體的感知，僅僅得到一條“線”的數據顯然是不夠的。在此基礎上，在雷達中集成更多的激光器，從不同角度發射測量光線，就能夠實現對周圍物體更加全面而細膩的掃描，能夠讓車輛對周圍事物形成一個精準的三維感知。對于機械旋轉式激光雷達而言，有多少個激光發射器，就代表了這是多少“線”的激光雷達，激光雷達的線數越多，對周圍環境的測量就越全面，當然成本也是隨之飆升。下面我們以國內激光雷達的代表企業禾賽科技的產品為例，做一個更加直觀的解析。

【車載激光雷達實現了對周圍環境全面立體的精準探測】

　　相比在其他領域使用的激光雷達，自動駕駛對于所使用的車載激光雷達無疑有著更為苛刻的要求：作為無人車的“眼睛”，性命攸關的它不容許有絲毫的差錯，因此車載激光雷達必須達到車規級標準。

　　車載激光雷達有如此多的苛刻要求，所以是一項技術壁壘非常高的高科技產業。雖然目前市場規模并不算大，但是對于未來而言，激光雷達技術是通往自動駕駛的必經之路。所以無論主機廠還是各大零部件供應商對其都是趨之若鶩。

Q3：激光雷達“看”到的是什么？

　　之前我們說到，激光雷達可以準確測量距離，一束激光掃描一次，就可以獲得一個目標點在空間中的三維坐標，車載激光雷達通過快速旋轉以及多線掃描，就可以獲得一個周圍物體的“點云輪廓”，禾賽科技的應用工程總監史健做了一個很形象的比喻：激光雷達就是用樂高積木重建了外部世界的形狀——相比照片，它們具備三圍空間的深度和位置信息，另外由于每個點之間并不連續，所以成像也像樂高積木一樣“棱角分明”。

Q4：現在的汽車遍布雷達（Radar），為什么還需要激光雷達（Lidar）？

　　雖然自動駕駛尚未普及，但是如今L2級輔助駕駛功能越來越多地出現在了車型的配置列表中。通常來說，這些具備L2級輔助駕駛功能的車通過攝像頭以及遍布車身的毫米波雷達，能夠一定程度識別部分前方物體，車道線以及同前方車輛的距離等信息。在此基礎上，車輛可以以固定的速度自動保持同前車的距離，自動保持車道內行駛，偵測視線盲區車輛甚至可以自動變換車道。

　　其中通常位于車輛前風擋后方的攝像頭承擔了汽車“眼睛”的工作：通過攝像頭采集到的圖像，芯片通過圖像識別算法可以實現對車輛前方障礙物、交通限速標識、車道線等特征的識別，甚至可以通過算法來判斷車輛同前方障礙物的距離。

　　那么相比上述兩種傳感器，激光雷達自身的優勢和特點又有哪些？

　　事實上這三種傳感器功能既有分別也有交叉。相比諸如特斯拉這樣激進車企采取的以攝像頭為主來感知環境的自動駕駛技術路線，激光雷達的優勢在于它可以直接、精準地獲得車輛距離周圍物體的距離和方位，而不是通過芯片中的算法對攝像頭采集到的圖像進行分析后得到的數據。此外，激光雷達數據傳輸和存儲壓力也小于車載攝像頭，但有效數據比攝像頭更豐富，這就減少了對于芯片算力的依賴，同時提高了可靠性。例如禾賽科技的64線激光雷達每秒鐘可以獲得115.2萬個點數據，而一個分辨率為1080p的攝像頭，假設為30幀/秒的話，每秒鐘獲得6220萬個像素點的數據，而這些數據還需要芯片對其進行分析處理，才能得到所需的輸出。

　　但是說到不足，激光雷達受限于自身原理，也有無法避免的局限性：當遇到霧霾、雨雪等天氣狀況時，激光雷達收到的數據會產生“噪點”，從而令自動駕駛芯片產生誤判。事實上這正是由于激光雷達的高靈敏度和高精準度產生的關聯結果，不過目前激光雷達公司正在著手研究這一問題的有效解決方案，在未來如果激光雷達能夠解決這個困擾，那么對于實際應用可以說是前途一片光明。

　　以目前的技術水平來看，如果要實現自動駕駛，仍然需要不同的傳感器進行分工和融合，才能夠確保車輛對于周圍環境有準確的認知。

　　如今各類駕駛輔助功能呈普及的趨勢，并且具備L3級自動駕駛技術的車輛也即將走入市場。談到關于L3級或以上自動駕駛技術的傳感器，史健認為，激光雷達是不可或缺的。因為相比L2級高級輔助駕駛功能，L3的本質區別在于電腦可以接管車輛，這就意味著責任歸屬已經發生了變化。如果將整車人的生命安危交付給電腦芯片，那就需要電腦對于車輛周圍環境必須有準確的感知和判斷。

Q5：激光雷達還分為固態和——“液態”？

　　準確來說，如今車載激光雷達可以分為固態和機械旋轉式。所謂“固態”是相對于旋轉式激光雷達而言的：固態激光雷達本體不需要旋轉，可以將體積做得很小，并且成本更低，對于消費者來說更容易接受。

　　據禾賽科技商務拓展高級總監盧煒介紹，目前“固態激光雷達”主要有三種類型，一種名為MEMS（微縮電機系統），但嚴格來說它并不屬于固態激光雷達范疇——它通過集成在雷達內部的半導體微動部件來令發出的激光偏轉掃描，因此內部仍然有運動零件。此外，目前在固態激光雷達領域進行探索的公司還在著力研究OPA相控陣固態激光雷達以及3DFlash固態激光雷達等等。（關于固態激光雷達的分類，我的同事冷曉陽已經做過詳細的介紹，大家有興趣可以點擊這里。）

　　相比機械式激光雷達，固態激光雷達有著體積小、成本低的優勢，但同時它的視角不能像旋轉式機械激光雷達那樣，實現360°無死角覆蓋，另外目前除了MEMS“混合固態”激光雷達之外，另外兩種產品尚處于研發階段，距離車規級量產仍有一段距離。

文章總結：

　　通過以上介紹，屏幕前的你對于車載激光雷達了解加深了多少？自動駕駛時代距離我們尚遠，而此次疫情期間在武漢運行的各種無人配送車讓我們看到了自動駕駛技術更多的使用場景和優勢。作為“未來汽車之眼”，相信激光雷達在未來將會是一個迅速發展的前沿科技。（文 汽車之家 王興宇 圖片來自網絡及禾賽科技官網）