自动驾驶汽车不可或缺的激光雷达技术

激光雷达（光和雷达的结合）是许多自动驾驶汽车不可或缺的组成部分。它通过光测量距离，成为自动驾驶汽车的眼睛。

什么是激光雷达技术？
激光雷达的工作原理
激光雷达测量光脉冲的飞行时间，然后可以确定传感器与物体之间的距离。想象一下，当发出光脉冲时启动秒表，然后当光脉冲（从遇到的第一个物体反射）返回时停止计时器；通过测量激光的“飞行时间”并了解脉冲速度，您可以计算出距离。光以每秒 30 万公里的速度传播，因此需要非常高精度的设备来生成距离信息。

使用激光作为“棒”来测量距离
要生成完整的点云，传感器必须能够非常快速地对整个环境进行采样。LiDAR 在单个发射器/接收器上使用非常高的采样率，每个发射器每秒发射数万或数十万个激光脉冲。这意味着多达 100,000 个激光脉冲在 1 秒内完成从激光单元上的发射器到待测物体的往返，并返回到位于激光雷达上发射器附近的接收器。较大的系统最多有 64 个这样的发射器/接收器（称为一条线）。多线使系统能够每秒生成超过一百万个数据点。

然而，64 条固定线并不足以映射整个环境——它只是在非常集中的区域给出了非常清晰的分辨率。由于光学上对精度的要求，制作更多的线材是非常昂贵的，所以如果线材的数量超过64根，继续增加线材的数量会更快地增加成本。相比之下，许多 LiDAR 系统使用旋转组件或旋转镜在环境周围进行 360 度扫描。

常见的策略包括向上或向下偏转单个发射器和接收器以增加激光的视野。例如，Velodyne 的 64 通道 LiDAR 系统垂直视角为 26.8 度（它通过旋转具有 360 度水平视角）。这种 LiDAR 可以在 50 米外看到 12 米高物体的顶部。

对应不同线路的激光雷达，有不同的锐度带，这是因为数据传真随着距离的增加而减小。虽然它并不完美，但对于更近的物体可以使用更高的分辨率，因为随着到传感器的距离增加，发射器之间的角度（例如 2 度）将导致这些点带之间的间距更大。

激光雷达需要克服的问题
反射面的材质
由于LiDAR是基于激光脉冲返回传感器所需时间的测量，如果激光打到高反射面，就会给测量带来问题。从微观角度来看，大多数材料的表面都比较粗糙，并且会向各个方向散射光；这种散射光的一小部分总是可以返回传感器并且足以生成距离数据。但是，如果表面反射率很高，光线就会从传感器散射开，那么这个区域的点云就检测不到，数据就会不完整。

空中环境
空中环境也会影响 LiDAR 读数。大雾和大雨会削弱发射的激光脉冲，影响激光雷达。为了解决这些问题，更高功率的激光器已经投入使用，但对于更小、移动或对功率敏感的应用场景来说，这并不是一个很好的解决方案。

旋转期间的数据更新率
LiDAR 系统面临的另一个挑战是旋转时相对较慢的更新率。系统的更新速率受复杂光学器件的旋转速度限制。LiDAR 系统的最快旋转速率约为 10Hz，这限制了数据更新速率。

当传感器旋转时，一辆以 60 mph 行驶的汽车在 1/10 秒内行驶了 8.8 英尺，因此可以说传感器无法检测汽车经过时 8.8 英尺内发生的变化。可识别。更重要的是，LiDAR（在完美条件下）的覆盖范围为 100-120 米，相当于以 60 英里/小时的速度行驶的汽车的行驶时间不到 4.5 秒。

成本
或许对于激光雷达来说，高昂的安装成本是它需要克服的最大挑战。尽管该技术自应用以来成本已大大降低，但成本仍然是一个重要的障碍。

应用于汽车行业的激光雷达技术
从车辆自动导航到激光雷达
激光雷达的操作方法非常简单。原理与雷达相同。不同的是，激光雷达使用的是光波（红外线），而雷达使用的是电磁波。两者都发出一系列脉冲光波或电磁波。波浪向前行进时，遇到物体就会反射。当接收到反射波脉冲并计算飞行时间时，就可以测量彼此之间的距离。这个过程是非常直接的数学计算，不涉及算法和人工智能。由于光波波长较短，因此可以对前方物体有准确的分辨率和测量结果。然而，

激光雷达在应用于自动导航之前，已经在其他领域有所应用。例如，在考古领域，研究人员利用激光雷达和航拍相机在柬埔寨吴哥窟发现了更大的古城遗址。此外，激光雷达也被应用到风力发电机上，测量风速和风向，调整最佳迎风角。

LiDAR 技术广泛推广的障碍是其高昂的价格。激光雷达技术主要采用长串大功率半导体激光器，进行360度旋转扫描，获得全方位的3D图像。因为光学系统需要机械转动，所以价格昂贵。最近，为了普及和降低成本，激光雷达在设计上逐渐放弃了360度，取而代之的是小于180度和更短的探测范围，从而可以使用表面发射激光器（VCSEL）和数字光处理器（DLP） . 使用衍射光学表面产生激光阵列将使成本结构更具竞争力。

未来，当自动导航越来越普遍时，如果LiDAR的红外激光信号无处不在，也会引起人们对健康和安全的担忧。因此，激光雷达传感需要降低激光的强度。换句话说，如果需要降低激光的强度，就需要安装高灵敏度的光电探测器。

一般光传感器工作在元件反向偏压的小暗电流区。一旦有光信号进入，电流就会增强，但至少有数万个光子中的任何一个都可以产生显着的光电流。单光子光传感器有意检测和操作处于反向偏置电压崩溃区的组件。如果单个光子进入，会造成实质性的坍缩，但坍缩后可以立即恢复。所以，如果你统计一下组件的崩溃次数，你就知道收集了多少光子，因此检测的灵敏度可以提高几个数量级。

随着新科学技术的发明，一开始往往不清楚其适合的应用场景是什么。同样，单光子光传感器可能被视为“寻找问题的解决方案”，但随着对更灵敏检测的需求增加，单光子光传感器将会出现。未来，自动驾驶汽车将实现5级全自动驾驶。无论是立体摄像头镜头、激光雷达、雷达还是超声波，汽车制造商必须具备整合这些不同检测系统的能力，因为没有一个单一的检测系统会有完整的解决方案。集成测量系统可以在不同的天气、距离和精度条件下提供完整的数据。