漫談自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)和新型探測技術(shù)

說到“雷達(dá)”，小伙伴們的腦海里大概立馬能蹦出戰(zhàn)爭片中“報(bào)告長官，雷達(dá)上發(fā)現(xiàn)敵艦靠近！”這樣的對白。這里所謂的“雷達(dá)”（Radar）一般是指利用電磁波探測目標(biāo)的電子設(shè)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并不知道我們熟悉的這個(gè)“雷達(dá)”概念，而是利用光來進(jìn)行探測和定位的手段——“激光雷達(dá)”。

什么是激光雷達(dá)？

如今，“激光雷達(dá)”已不是什么陌生的概念了，特別是隨著自動(dòng)駕駛的熱潮，它也備受矚目。

自動(dòng)駕駛

激光雷達(dá)實(shí)際上是一種工作在光學(xué)波段（近紅外）的雷達(dá)，最早對它的定義是LIDAR，即 Light DetecTIon and Ranging。不過，更準(zhǔn)確的應(yīng)該是“LADAR”這種叫法，即Laser DetecTIon and Ranging，激光探測和測距。

特點(diǎn)

與同樣在汽車中有著一定應(yīng)用的微波雷達(dá)相比，工作在光學(xué)波段的激光雷達(dá)其頻率比微波高2-3個(gè)數(shù)量級以上，有著更高的距離分辨率、角分辨率和速度分辨率。因此，激光雷達(dá)在測量過程中可帶來距離、角度、反射強(qiáng)度、速度等更豐富的信息，憑借這些數(shù)據(jù)便可生成目標(biāo)多維度的圖像，協(xié)助我們或系統(tǒng)對探測目標(biāo)擁有更詳細(xì)的認(rèn)知。

另外，由于激光波長短，能發(fā)射發(fā)散角非常?。?mu;rad量級）的激光束，多路徑效應(yīng)小，即不會(huì)形成定向發(fā)射，與微波或者毫米波產(chǎn)生多路徑效應(yīng)，抗干擾能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)低空、超低空目標(biāo)的探測。而激光主動(dòng)探測擁有不依賴于外界光照條件或目標(biāo)本身輻射的特性，只需通過探測自身發(fā)射的激光束的回波信號來獲取目標(biāo)信息，所以還可實(shí)現(xiàn)全天候的工作。不過，激光雷達(dá)易受大氣條件以及工作環(huán)境的煙塵影響，要實(shí)現(xiàn)全天候的工作環(huán)境在目前來講還是最困難的事情。

原理

實(shí)際上，激光雷達(dá)技術(shù)的前提是激光測距技術(shù)。我們通常能見到的測距方法，從大類上可以分為：激光飛行時(shí)間（TIme of Flight，TOF）法和三角法。簡單來講，它們分別適用于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）脈沖調(diào)制（脈沖測距技術(shù)），利用被測目標(biāo)對光信號的漫反射來測距；

b）相位調(diào)制，對激光連續(xù)波進(jìn)行強(qiáng)度的調(diào)制，通過相位差來測量距離信息。

而激光雷達(dá)對不同方法的選擇主要取決于它的種類和實(shí)際應(yīng)用。

分類

激光雷達(dá)也分很多類別。從調(diào)制出發(fā)，目前主要有直接探測激光雷達(dá)和相干探測激光雷達(dá)。現(xiàn)在常見的，包括自動(dòng)駕駛、機(jī)器人、測繪所用的，基本上屬于直接探測激光雷達(dá)。比較特殊的，比如測風(fēng)、測速之類的雷達(dá)，則一般采用的是相干調(diào)制。

直接探測類型的激光雷達(dá)應(yīng)用

中國海洋大學(xué)研發(fā)的車載多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)

圖片來源：qingdaonews.com

如果從應(yīng)用出發(fā)，那分類就較多了，比如激光測距儀、激光三維成像雷達(dá)、激光測速雷達(dá)、激光大氣探測雷達(dá)等等。其中，激光三維成像雷達(dá)就包含了我們熟知的激光測繪，以及自動(dòng)駕駛中的單線激光雷達(dá)和多線激光雷達(dá)。

自動(dòng)駕駛中激光雷達(dá)是什么樣子？

正如上文提到的，在目前的自動(dòng)駕駛中，有單線激光雷達(dá)和多線激光雷達(dá)之分。由于在應(yīng)用中需要很高的采樣頻率，在近距離和遠(yuǎn)距離測量中則分別用到三角測距法和脈沖測距法。

其中，單線激光雷達(dá)主要通過一個(gè)高重頻脈沖激光測距儀，加上一個(gè)一維旋轉(zhuǎn)掃描來實(shí)現(xiàn)測量。而它的角分辨率可高于多線激光雷達(dá)，所以在行人探測、障礙物探測（小目標(biāo)探測）以及前方障礙物探測等方面上，比多線激光雷達(dá)具有更多優(yōu)勢。多線方案目前也主要為多路單線集合而成，因而還受到體積和光路的限制。

“長”在自動(dòng)駕駛汽車頭上的激光雷達(dá)系統(tǒng)

圖片來源：souhu.com

這里可能有人會(huì)問了：“除了避障，為什么還要用激光雷達(dá)來做車道檢測，而不直接使用相機(jī)？ADAS 算法不已非常成熟了嗎？”

原因很簡單，相機(jī)特別容易受到背景光或者強(qiáng)光的干擾。比如，行駛在林蔭大道時(shí)，樹蔭落下斑斑點(diǎn)點(diǎn)的陽光，再結(jié)合白色車道線，相機(jī)就很難辨識(shí)，而識(shí)別概率的低下則將造成算法的復(fù)雜化。

相機(jī)：哪位小仙女闊以告訴我，車道線在WHERE？！

ADAS算法：……

那么，用激光雷達(dá)來做車道檢測又有什么好處呢？

首先，激光雷達(dá)用的是紅外激光，這種激光本身在紅外波段的輻射比可見光要低得多。再者，應(yīng)用中會(huì)利用一個(gè)非常窄的濾光片，直接將強(qiáng)背景光濾除，然后再用紅外光進(jìn)行探測。這樣我們就能獲得一張超高質(zhì)量的車道線圖像，通過圖像的灰度，就能輕松的把車道線檢測出來?？傮w來說，用激光雷達(dá)做車道線檢測，性能會(huì)比相機(jī)更優(yōu)。

相機(jī)、雷達(dá)和激光雷達(dá)的比較

圖片來源：toutiao.com

激光雷達(dá)和一個(gè)了不起的新伙伴

針對單線和多線激光雷達(dá)，高速、高增益且在近紅外波段高靈敏度的單點(diǎn)探測器APD（雪崩二極管）是目前探測端的首選。該器件的探測帶寬普遍在百M(fèi)Hz左右，且在高壓工作時(shí)有幾十倍的增益，能夠大幅增強(qiáng)光電信號。然而，在百米量級的探測中，APD所能達(dá)到的增益效果仍然不能滿足需求。

于是，自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)急需一個(gè)全新小伙伴的出現(xiàn)。這個(gè)小伙伴需要擁有更大的增益，且工作在近紅外光范圍。

Wanted?。。。▓D）

不過，隨著MPPC的誕生，自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)也看到了新的曙光。

MPPC是一種俗稱硅光電倍增管（Silicon Photomultiplier，SiPM）的新型光半導(dǎo)體器件，根據(jù)其原理可稱多像素光子計(jì)數(shù)器（Multi-Pixel Photon Counter，MPPC）。其由多個(gè)工作在蓋革模式的APD陣列組成，具有高增益、高探測效率、快速響應(yīng)、優(yōu)良時(shí)間分辨率和寬光譜響應(yīng)范圍等特點(diǎn)。

當(dāng)MPPC中的一個(gè)像素接收到一個(gè)入射光子時(shí)，就會(huì)輸出一個(gè)幅度一定的脈沖，如圖顯示，多個(gè)像素如都接收到入射光子，則每個(gè)像素都會(huì)輸出一個(gè)脈沖，這幾個(gè)脈沖最終會(huì)疊加在一起，由一個(gè)公共輸出端輸出，以此達(dá)到更大的增益。

相比APD，MPPC的增益可達(dá)到105-106，這樣在理論上，可以在更短的時(shí)間內(nèi)得到更長的距離信息，探測帶寬也與APD不相上下。另外，擁有小有效面積、更多像素結(jié)構(gòu)的MPPC不僅具備較快的時(shí)間特性（上升時(shí)間僅1ns左右），還可利用它獨(dú)特的光子分辨能力，將不同表面反射率的物體識(shí)別出來，從而達(dá)到測距同時(shí)分辨物體表面特性的目的。從這些性能上來看，MPPC非常適合脈沖測距法的應(yīng)用，是自動(dòng)駕駛上一維激光雷達(dá)的理想小伙伴。

MPPC、APD和PIN光電二極管的比較

除了高性能以外，想真正成為激光雷達(dá)的伙伴，應(yīng)用的MPPC器件還必須工作在近紅外光范圍內(nèi)，然而這并不是一件容易的事。

一方面，MPPC一般都是P-on-N的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，而近紅外需要N-on-P的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；另外更重要的一點(diǎn)，就是硅基材料要做到近紅外波段是非常困難的，再加上各方面的工藝問題，如今研制成功且實(shí)現(xiàn)可量產(chǎn)的案例少之又少。

然而，隨著2017年初美國西部光電展（Photonics West）的開幕，一則關(guān)于近紅外MPPC的好消息傳來了！

濱松公司發(fā)布了最新的近紅外MPPC研制成果，推出了紅外增強(qiáng)型MPPC S13720-1325系列。其在905nm處具有較高的探測效率，響應(yīng)速度快，工作溫度范圍寬，適合各種場合下的激光雷達(dá)應(yīng)用，尤其是使用TOF測距法的長距離測量?，F(xiàn)在，也已正式向全球市場開放供應(yīng)。

濱松近紅外MPPC S13720-1325系列

自動(dòng)駕駛?cè)缃袷且粋€(gè)炙手可熱的話題，但是，真正將熱點(diǎn)變?yōu)榇蟊娙粘Ｉ畹囊徊糠?，行業(yè)中的創(chuàng)造者們可能還有一段曲折的路要走。其中，激光雷達(dá)作為自動(dòng)駕駛核心技術(shù)之一，也是他們必經(jīng)的挑戰(zhàn)。

而濱松對近紅外MPPC技術(shù)的攻克，意味著的不僅只是一次半導(dǎo)體技術(shù)的突破，還是一次自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)技術(shù)大步跨躍的可能。讓我們寄期待于這位新伙伴，為自動(dòng)駕駛帶來更好的未來吧！