漫談自動駕駛激光雷達和新型探測技術(shù)

說到“雷達”，小伙伴們的腦海里大概立馬能蹦出戰(zhàn)爭片中“報告長官，雷達上發(fā)現(xiàn)敵艦靠近！”這樣的對白。這里所謂的“雷達”（Radar）一般是指利用電磁波探測目標的電子設備，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“雷達”概念，而是利用光來進行探測和定位的手段——“激光雷達”。

什么是激光雷達？

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

自動駕駛

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

特點

與同樣在汽車中有著一定應用的微波雷達相比，工作在光學波段的激光雷達其頻率比微波高2-3個數(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，激光雷達在測量過程中可帶來距離、角度、反射強度、速度等更豐富的信息，憑借這些數(shù)據(jù)便可生成目標多維度的圖像，協(xié)助我們或系統(tǒng)對探測目標擁有更詳細的認知。

另外，由于激光波長短，能發(fā)射發(fā)散角非常小（μrad量級）的激光束，多路徑效應小，即不會形成定向發(fā)射，與微波或者毫米波產(chǎn)生多路徑效應，抗干擾能力強，可實現(xiàn)低空、超低空目標的探測。而激光主動探測擁有不依賴于外界光照條件或目標本身輻射的特性，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信息，所以還可實現(xiàn)全天候的工作。不過，激光雷達易受大氣條件以及工作環(huán)境的煙塵影響，要實現(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

實際上，激光雷達技術(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)波進行強度的調(diào)制，通過相位差來測量距離信息。

而激光雷達對不同方法的選擇主要取決于它的種類和實際應用。

分類

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

直接探測類型的激光雷達應用

中國海洋大學研發(fā)的車載多普勒測風激光雷達

圖片來源：qingdaonews.com

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

自動駕駛中激光雷達是什么樣子？

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

其中，單線激光雷達主要通過一個高重頻脈沖激光測距儀，加上一個一維旋轉(zhuǎn)掃描來實現(xiàn)測量。而它的角分辨率可高于多線激光雷達，所以在行人探測、障礙物探測（小目標探測）以及前方障礙物探測等方面上，比多線激光雷達具有更多優(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”在自動駕駛汽車頭上的激光雷達系統(tǒng)

圖片來源：souhu.com

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

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

相機：哪位小仙女闊以告訴我，車道線在WHERE？！

ADAS算法：……

那么，用激光雷達來做車道檢測又有什么好處呢？

首先，激光雷達用的是紅外激光，這種激光本身在紅外波段的輻射比可見光要低得多。再者，應用中會利用一個非常窄的濾光片，直接將強背景光濾除，然后再用紅外光進行探測。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。總體來說，用激光雷達做車道線檢測，性能會比相機更優(yōu)。

相機、雷達和激光雷達的比較

圖片來源：toutiao.com

激光雷達和一個了不起的新伙伴

針對單線和多線激光雷達，高速、高增益且在近紅外波段高靈敏度的單點探測器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MHz左右，且在高壓工作時有幾十倍的增益，能夠大幅增強光電信號。然而，在百米量級的探測中，APD所能達到的增益效果仍然不能滿足需求。

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

Wanted！！！（圖）

不過，隨著MPPC的誕生，自動駕駛激光雷達也看到了新的曙光。

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

當MPPC中的一個像素接收到一個入射光子時，就會輸出一個幅度一定的脈沖，如圖顯示，多個像素如都接收到入射光子，則每個像素都會輸出一個脈沖，這幾個脈沖最終會疊加在一起，由一個公共輸出端輸出，以此達到更大的增益。

相比APD，MPPC的增益可達到105-106，這樣在理論上，可以在更短的時間內(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不僅具備較快的時間特性（上升時間僅1ns左右），還可利用它獨特的光子分辨能力，將不同表面反射率的物體識別出來，從而達到測距同時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用，是自動駕駛上一維激光雷達的理想小伙伴。

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的伙伴，應用的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的半導體結(jié)構(gòu)，而近紅外需要N-on-P的半導體結(jié)構(gòu)；另外更重要的一點，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，推出了紅外增強型MPPC S13720-1325系列。其在905nm處具有較高的探測效率，響應速度快，工作溫度范圍寬，適合各種場合下的激光雷達應用，尤其是使用TOF測距法的長距離測量。現(xiàn)在，也已正式向全球市場開放供應。

濱松近紅外MPPC S13720-1325系列

自動駕駛?cè)缃袷且粋€炙手可熱的話題，但是，真正將熱點變?yōu)榇蟊娙粘Ｉ畹囊徊糠郑袠I(yè)中的創(chuàng)造者們可能還有一段曲折的路要走。其中，激光雷達作為自動駕駛核心技術(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體技術(shù)的突破，還是一次自動駕駛激光雷達技術(shù)大步跨躍的可能。讓我們寄期待于這位新伙伴，為自動駕駛帶來更好的未來吧！