第四节 激光雷达
一、激光雷达的定义
激光雷达是工作在光频波段的雷达，它利用光频波段的电磁波先向目标发射探测信号，然后将其接收到的同波信号与发射信号相比较，从而获得目标的位置（距离、方位和高度）、运动状态（速度、姿态）等信息，实现对目标的探测、跟踪和识别。
激光雷达根据安装位置的不同，分为两大类，一类安装在无人驾驶汽车的四周，另一类安装在无人驾驶汽车的车顶，如图2-18所示。安装在无人驾驶汽车四周的激光雷达，其激光线束一般小于8线，常见的有单线激光雷达和四线激光雷达；安装在无人驾驶汽车车顶的激光雷达，其激光线束一般不小于16线，常见的有16线/32线/64线激光雷达。
图2-18 激光雷达
车载激光雷达普遍采用多个激光发射器和接收器，建立三维点云图，从而达到实时环境感知的目的。
二、激光雷达的特点
激光雷达具有以下特点。
（1）分辨率高 激光雷达可以获得极高的角度、距离和速度分辨率。通常激光雷达的角分辨率不低于0.1mard，也就是说可以分辨3km距离上相距0.3m的两个目标，并可同时跟踪多个目标；距离分辨率可达0.1m；速度分辨率能达到10m/s以内。
（2）探测范围广 探测距离可达300m左右。
（3）信息量丰富 可直接获取探测目标的距离、角度、反射强度、速度等信息，生成目标多维度图像。
（4）全天候工作 激光主动探测，不依赖于外界光照条件或目标本身的辐射特性，它只需发射自己的激光束，通过探测发射激光束的回波信号来获取目标信息；但容易受到大气条件以及工作环境烟尘的影响，且不具备摄像头能识别交通标志的功能。
三、激光雷达系统的组成
智能网联汽车激光雷达系统由收发天线、收发前端、信号处理模块、汽车控制装置和报警模块组成，如图2-19所示。
图2-19 智能网联汽车激光雷达系统组成
（1）收发天线 收发天线可安装于车辆保险杠内，向车辆前方发出发射信号，并接收反射信号。
（2）收发前端 收发前端是雷达系统的核心部件，负责信号调制、射频信号的发射接收及接收信号解调。
（3）信号处理模块 信号处理模块自动分析、计算出与前方车辆的距离和相对速度，并且防止转弯时错误测量临近车道车辆的情况发生。
（4）汽车控制装置 汽车控制装置是控制汽车的自动操作系统，达到自动减速慢速行车，或紧急刹车。通过限制发动机输出转矩、调节制动力及变速器挡位，控制汽车行驶速度。
（5）报警模块 根据设定的安全车距和报警距离，以适当方式给驾驶员报警，保障汽车安全行驶。
四、激光雷达的测距原理
激光雷达测距的基本原理是通过测算激光发射信号与激光回波信号的往返时间，从而计算出目标的距离。首先，激光雷达发出激光束，激光束碰到障碍物后被反射回来，被激光接收系统进行接收和处理，从而得知激光从发射至被反射回来并接收之间的时间，即激光的飞行时间，根据飞行时间，可以计算出障碍物的距离。根据所发射激光信号的不同形式，激光测距方式可分为脉冲法激光测距和相位法激光测距两大类，如图2-20所示。
图2-20
图2-20 激光测距原理
（1）脉冲法激光测距 脉冲法是通过激光雷达的发射器发出脉冲激光照射到障碍物后会有部分激光反射回来，由激光雷达的接收器接收。同时激光雷达内部可以记录发射和接收的飞行时间间隔，根据光速可以计算出要测量的距离。
（2）相位法激光测距 相位法由激光发射器发出强度调制的连续激光信号，照射到障碍物后反射回来，测量光束在往返中会产生相位的变化，通过计算激光信号在雷达与障碍物之间来回飞行产生的相位差，换算出障碍物的距离。
五、激光雷达的类型
激光雷达按有无机械旋转部件，可分为机械激光雷达、固态激光雷达和混合固态激光雷达。
（1）机械激光雷达 机械激光雷达带有控制激光发射角度的旋转部件，体积较大，价格昂贵，测量精度相对较高，一般置于汽车顶部。
（2）固态激光雷达 固态激光雷达则依靠电子部件来控制激光发射角度，无须机械旋转部件，故尺寸较小，可安装于车体内。
（3）混合固态激光雷达 混合固态激光雷达没有大体积旋转结构，采用固定激光光源，通过内部玻璃片旋转的方式改变激光光束方向，实现多角度检测的需要，并且采用嵌入式安装。
根据线束数量的多少，激光雷达又可分为单线束激光雷达与多线束激光雷达。
（1）单线束激光雷达 单线束激光雷达扫描一次只产生一条扫描线，其所获得的数据为2D数据，因此无法区别有关目标物体的3D信息。但由于单线束激光雷达具有测量速度快、数据处理量少等特点，多被应用于安全防护、地形测绘等领域。
（2）多线束激光雷达 多线束激光雷达扫描一次可产生多条扫描线。目前市场上多线束激光雷达产品包括4线束、8线束、16线束、32线束、64线束等，其细分可分为2.5D激光雷达及3D激光雷达。2.5D激光雷达与3D激光雷达最大的区别在于激光雷达垂直视野的范围，前者垂直视野范围一般不超过10°，而后者可达到30°甚至40°以上，这也就导致两者对于激光雷达在汽车上的安装位置要求有所不同。
如图2-21所示为机械激光雷达和固态激光雷达以及64线束、32线束和16线束的激光雷达。
图2-21 激光雷达的类型
六、激光雷达的应用
激光雷达具有高精度电子地图和定位、障碍物识别、可通行空间检测、障碍物轨迹预测等功能，如图2-22所示。
图2-22 激光雷达的功能（彩图）
（1）高精度电子地图和定位 利用多线束激光雷达的点云信息与车载组合惯导采集的信息，进行高精度电子地图制作。无人驾驶汽车利用激光点云信息与高精度电子地图匹配，以此实现高精度定位。
（2）障碍物识别 利用高精度电子地图限定感兴趣区域（ROI）后，根据障碍物特征和识别算法，进行障碍物检测与识别。
（3）可通行空间检测 利用高精度电子地图限定ROI后，可以对ROI内部（比如可行驶道路和交叉口）点云的高度及连续性信息判断点云处是否可通行。
（4）障碍物轨迹预测 根据激光雷达的感知数据与障碍物所在车道的拓扑关系（道路连接关系）进行障碍物的轨迹预测，以此作为无人驾驶汽车规划（避障、换道、超车等）的判断依据。
IBEO LUX（4线）激光雷达是德国IBEO公司借助高分辨率激光测量技术推出的第一款多功能汽车智能传感器，如图2-23所示。它拥有110°的宽视角，0.3～200m的探测距离，绝对安全的1等级激光。
图2-23 IBEO LUX（4线）激光雷达
IBEO LUX（4线）激光雷达不仅输出原始扫描数据，同时输出每个测量对象的数据，如位置、尺寸、纵向速度、横向速度等，拥有远距离、智能分辨率、全天候等能力，结合110°的宽视角，在以下7个方面拥有出色的性能。
（1）行人保护 当一个人出现在车辆行驶的前方路面上时，需要车辆提供保护的场合。IBEO LUX（4线）激光雷达能检测0.3～30m视场范围内的所有行人。通过分析对象的外形、速度和腿部移动来区分行人与普通物体，传感器在启动安全保护措施前300ms时发出警告，这样便可在发生碰撞之前保护行人。
（2）自适应巡航控制系统的启和停 基于IBEO LUX（4线）激光雷达的自适应巡航控制系统可在0～200km/h的速度范围内实现自动行驶，可在没有驾驶员帮助的情况下自动调整车速，如有必要，刹车停行。宽视场范围使得它能及时地检测到并线的车辆，并且快速判断它的横向速度。
（3）车道偏离预警 IBEO LUX（4线）激光雷达可以检测车辆行驶前方车道线标识和潜在的障碍，同时也可以计算车辆在道路中的位置。如果车辆可能会偏离航线，系统会立即发出预警。
（4）自动紧急刹车 IBEO LUX（4线）激光雷达实时检测车辆行驶前方所有静止的和移动的物体，并且判断它们的外形，当要发生危险时，自动紧急刹车。
（5）预碰撞处理 通过分析所有的环境扫描数据，不管是即将发生什么样的碰撞（如擦碰），预碰撞功能都会在碰撞发生前100ms发出警告。IBEO LUX（4线）激光雷达能计算出碰撞的初始接触点并且采取措施以减小碰撞，提前启动安全系统。
（6）交通拥堵辅助 针对城市拥堵路况，IBEO LUX（4线）激光雷达能够在上下班路上消除频繁启停而带来的烦恼。驾驶员只需掌握好汽车转向盘，该功能在时速小于30km/h的路况下显得尤为重要。缓和的加/减速度和可靠的行人保护功能，使车辆驾驶既安全又省心。
（7）低速防碰撞功能 行驶途中，哪怕是一小会的分神也有可能导致事故发生，引入低速防碰撞功能，使得以前在30km/h时速下时常发生的类似事故不再发生，IBEO LUX（4线）激光雷达检测并分析前方的路况，车辆会在发生碰撞前自动停驶。