[汽車之家 技術(shù)] 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(yuǎn)、懂得更多,、反應(yīng)更快,，能自動(dòng)避免擁堵，還能夠提前感知危險(xiǎn)避免事故——最重要的,，是這些機(jī)器人永遠(yuǎn)不會(huì)酒后駕車,，這就是自動(dòng)駕駛時(shí)代為我們描繪的美好藍(lán)圖。今天我們要聊的，是自動(dòng)駕駛時(shí)代車輛上一個(gè)必不可少的重要組件——激光雷達(dá),。為什么說激光雷達(dá)是自動(dòng)駕駛時(shí)代的必需品,？它同普通雷達(dá)相比有何優(yōu)勢？我們對(duì)話了多位業(yè)內(nèi)專家和企業(yè),，并通過下面五個(gè)問題來給大家科普一下,。

這篇文章我們要聊到：

1、激光雷達(dá)的基本原理

2,、激光雷達(dá)看到的是什么？

3,、車載激光雷達(dá)有何不同之處,？

4、現(xiàn)在車上已經(jīng)有了各種各樣的雷達(dá),，為什么還需要激光雷達(dá),？

5、激光雷達(dá)還分固態(tài)和——“液態(tài)”,？

Q1：為啥激光能做雷達(dá),？

　　Emmm…故事似乎要從一個(gè)多世紀(jì)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(fā)輻射的關(guān)系,，雖然我聽不懂，但是這個(gè)發(fā)現(xiàn)為后來制造激光奠定了基礎(chǔ),。在1960年,，位于美國加州的休斯實(shí)驗(yàn)室制造出了人類史上第一束激光。

　　激光的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛,，從醫(yī)學(xué)手術(shù),、激光打印到未來星球大戰(zhàn)的激光武器不一而足，而其中一個(gè)重要的分支,，就是用來測量距離,。由于激光光束筆直（準(zhǔn)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(zhì),。當(dāng)發(fā)射源向目標(biāo)物體發(fā)射光束，光束反射之后被傳感器接收,，依據(jù)這期間的時(shí)間差,，就可以計(jì)算出同目標(biāo)物體之間的距離，這就是飛行時(shí)間測距法（Time of Flight,簡稱ToF）,。

　　這便是激光雷達(dá)的基本原理,，簡單來說，一個(gè)激光發(fā)射器和一個(gè)接收傳感器,，就組成了激光雷達(dá)的基本結(jié)構(gòu),。同世界上眾多尖端科技一樣,，激光雷達(dá)最初也是應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。在1961年,，休斯飛機(jī)公司推出了世界上第一個(gè)類似于激光雷達(dá)的系統(tǒng),，用于追蹤衛(wèi)星。隨著技術(shù)發(fā)展成熟,，激光雷達(dá)如今被應(yīng)用于各種領(lǐng)域的測量勘探工作,，從研究大氣成分、地質(zhì)結(jié)構(gòu)到全新的iPad Pro,，以及我們將要重點(diǎn)講述的自動(dòng)駕駛,。

Q2：裝在汽車上的激光雷達(dá)有啥不一樣？

　　雖然前路漫漫,，但是如今業(yè)界都對(duì)自動(dòng)駕駛時(shí)代充滿了憧憬,。對(duì)于自動(dòng)駕駛的主體——汽車來說，如何像駕駛員一樣,，或者比駕駛員對(duì)周圍的環(huán)境有更準(zhǔn)確全面的認(rèn)知,，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的前提條件。而激光雷達(dá)精準(zhǔn)測量的優(yōu)勢,，在目前來說是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的不二選擇,。根據(jù)激光測距的原理，一束激光理論上可以測量到一個(gè)點(diǎn)的距離,，但是自動(dòng)駕駛車輛需要對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行全方位的感知,，如果讓這束激光旋轉(zhuǎn)起來，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境的360°測量,，而一束激光旋轉(zhuǎn)之后,，得到的是雷達(dá)與周圍一條線之間的距離。

【激光雷達(dá)基本工作原理】

　　汽車如果需要對(duì)周圍的環(huán)境有更加全面立體的感知,，僅僅得到一條“線”的數(shù)據(jù)顯然是不夠的,。在此基礎(chǔ)上，在雷達(dá)中集成更多的激光器,，從不同角度發(fā)射測量光線,，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)周圍物體更加全面而細(xì)膩的掃描，能夠讓車輛對(duì)周圍事物形成一個(gè)精準(zhǔn)的三維感知,。對(duì)于機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)而言,，有多少個(gè)激光發(fā)射器，就代表了這是多少“線”的激光雷達(dá),，激光雷達(dá)的線數(shù)越多,，對(duì)周圍環(huán)境的測量就越全面，當(dāng)然成本也是隨之飆升。下面我們以國內(nèi)激光雷達(dá)的代表企業(yè)禾賽科技的產(chǎn)品為例,，做一個(gè)更加直觀的解析,。

【車載激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)了對(duì)周圍環(huán)境全面立體的精準(zhǔn)探測】

　　相比在其他領(lǐng)域使用的激光雷達(dá)，自動(dòng)駕駛對(duì)于所使用的車載激光雷達(dá)無疑有著更為苛刻的要求：作為無人車的“眼睛”,，性命攸關(guān)的它不容許有絲毫的差錯(cuò),，因此車載激光雷達(dá)必須達(dá)到車規(guī)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

　　車載激光雷達(dá)有如此多的苛刻要求,，所以是一項(xiàng)技術(shù)壁壘非常高的高科技產(chǎn)業(yè),。雖然目前市場規(guī)模并不算大，但是對(duì)于未來而言,，激光雷達(dá)技術(shù)是通往自動(dòng)駕駛的必經(jīng)之路,。所以無論主機(jī)廠還是各大零部件供應(yīng)商對(duì)其都是趨之若鶩。

Q3：激光雷達(dá)“看”到的是什么,？

　　之前我們說到,，激光雷達(dá)可以準(zhǔn)確測量距離,，一束激光掃描一次，就可以獲得一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)在空間中的三維坐標(biāo),，車載激光雷達(dá)通過快速旋轉(zhuǎn)以及多線掃描,，就可以獲得一個(gè)周圍物體的“點(diǎn)云輪廓”，禾賽科技的應(yīng)用工程總監(jiān)史健做了一個(gè)很形象的比喻：激光雷達(dá)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(gè)點(diǎn)之間并不連續(xù)，所以成像也像樂高積木一樣“棱角分明”,。

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

　　雖然自動(dòng)駕駛尚未普及,，但是如今L2級(jí)輔助駕駛功能越來越多地出現(xiàn)在了車型的配置列表中,。通常來說，這些具備L2級(jí)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(dá),，能夠一定程度識(shí)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(chǔ)上,，車輛可以以固定的速度自動(dòng)保持同前車的距離,，自動(dòng)保持車道內(nèi)行駛，偵測視線盲區(qū)車輛甚至可以自動(dòng)變換車道,。

　　其中通常位于車輛前風(fēng)擋后方的攝像頭承擔(dān)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(shí)別算法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛前方障礙物、交通限速標(biāo)識(shí)、車道線等特征的識(shí)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(dá)自身的優(yōu)勢和特點(diǎn)又有哪些,？

　　事實(shí)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(jìn)車企采取的以攝像頭為主來感知環(huán)境的自動(dòng)駕駛技術(shù)路線，激光雷達(dá)的優(yōu)勢在于它可以直接,、精準(zhǔn)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(duì)攝像頭采集到的圖像進(jìn)行分析后得到的數(shù)據(jù)。此外,，激光雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)壓力也小于車載攝像頭,，但有效數(shù)據(jù)比攝像頭更豐富，這就減少了對(duì)于芯片算力的依賴,，同時(shí)提高了可靠性,。例如禾賽科技的64線激光雷達(dá)每秒鐘可以獲得115.2萬個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，而一個(gè)分辨率為1080p的攝像頭,，假設(shè)為30幀/秒的話,，每秒鐘獲得6220萬個(gè)像素點(diǎn)的數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)還需要芯片對(duì)其進(jìn)行分析處理,，才能得到所需的輸出,。

　　但是說到不足，激光雷達(dá)受限于自身原理,，也有無法避免的局限性：當(dāng)遇到霧霾,、雨雪等天氣狀況時(shí)，激光雷達(dá)收到的數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生“噪點(diǎn)”,，從而令自動(dòng)駕駛芯片產(chǎn)生誤判,。事實(shí)上這正是由于激光雷達(dá)的高靈敏度和高精準(zhǔn)度產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)結(jié)果，不過目前激光雷達(dá)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(dá)能夠解決這個(gè)困擾,，那么對(duì)于實(shí)際應(yīng)用可以說是前途一片光明。

　　以目前的技術(shù)水平來看,，如果要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛,，仍然需要不同的傳感器進(jìn)行分工和融合，才能夠確保車輛對(duì)于周圍環(huán)境有準(zhǔn)確的認(rèn)知,。

　　如今各類駕駛輔助功能呈普及的趨勢，并且具備L3級(jí)自動(dòng)駕駛技術(shù)的車輛也即將走入市場,。談到關(guān)于L3級(jí)或以上自動(dòng)駕駛技術(shù)的傳感器,，史健認(rèn)為，激光雷達(dá)是不可或缺的,。因?yàn)橄啾萀2級(jí)高級(jí)輔助駕駛功能,，L3的本質(zhì)區(qū)別在于電腦可以接管車輛,，這就意味著責(zé)任歸屬已經(jīng)發(fā)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(duì)于車輛周圍環(huán)境必須有準(zhǔn)確的感知和判斷,。

Q5：激光雷達(dá)還分為固態(tài)和——“液態(tài)”,？

　　準(zhǔn)確來說，如今車載激光雷達(dá)可以分為固態(tài)和機(jī)械旋轉(zhuǎn)式,。所謂“固態(tài)”是相對(duì)于旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)而言的：固態(tài)激光雷達(dá)本體不需要旋轉(zhuǎn),，可以將體積做得很小，并且成本更低,，對(duì)于消費(fèi)者來說更容易接受,。

　　據(jù)禾賽科技商務(wù)拓展高級(jí)總監(jiān)盧煒介紹，目前“固態(tài)激光雷達(dá)”主要有三種類型,，一種名為MEMS（微縮電機(jī)系統(tǒng)）,，但嚴(yán)格來說它并不屬于固態(tài)激光雷達(dá)范疇——它通過集成在雷達(dá)內(nèi)部的半導(dǎo)體微動(dòng)部件來令發(fā)出的激光偏轉(zhuǎn)掃描，因此內(nèi)部仍然有運(yùn)動(dòng)零件,。此外,，目前在固態(tài)激光雷達(dá)領(lǐng)域進(jìn)行探索的公司還在著力研究OPA相控陣固態(tài)激光雷達(dá)以及3DFlash固態(tài)激光雷達(dá)等等,。（關(guān)于固態(tài)激光雷達(dá)的分類，我的同事冷曉陽已經(jīng)做過詳細(xì)的介紹,，大家有興趣可以點(diǎn)擊這里,。）

　　相比機(jī)械式激光雷達(dá)，固態(tài)激光雷達(dá)有著體積小,、成本低的優(yōu)勢,，但同時(shí)它的視角不能像旋轉(zhuǎn)式機(jī)械激光雷達(dá)那樣，實(shí)現(xiàn)360°無死角覆蓋,，另外目前除了MEMS“混合固態(tài)”激光雷達(dá)之外,，另外兩種產(chǎn)品尚處于研發(fā)階段，距離車規(guī)級(jí)量產(chǎn)仍有一段距離,。

文章總結(jié)：

　　通過以上介紹,，屏幕前的你對(duì)于車載激光雷達(dá)了解加深了多少？自動(dòng)駕駛時(shí)代距離我們尚遠(yuǎn),，而此次疫情期間在武漢運(yùn)行的各種無人配送車讓我們看到了自動(dòng)駕駛技術(shù)更多的使用場景和優(yōu)勢,。作為“未來汽車之眼”，相信激光雷達(dá)在未來將會(huì)是一個(gè)迅速發(fā)展的前沿科技,。（文 汽車之家 王興宇 圖片來自網(wǎng)絡(luò)及禾賽科技官網(wǎng)）