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漫谈自动驾驶激光雷达和新型探测技术

导读: 说到“雷达”,小伙伴们的脑海里大概立马能蹦出战争片中“报告长官,雷达上发现敌舰靠近!”这样的对白。

说到“雷达”,小伙伴们的脑海里大概立马能蹦出战争片中“报告长官,雷达上发现敌舰靠近!”这样的对白。这里所谓的“雷达”(Radar)一般是指利用电磁波探测目标的电子设备,全称是Radio Detection and Ranging,无线电探测和测距,很多人也叫它“无线电定位”。

不过,接下来我们要介绍的并不知道我们熟悉的这个“雷达”概念,而是利用光来进行探测和定位的手段——“激光雷达”。

什么是激光雷达?

如今,“激光雷达”已不是什么陌生的概念了,特别是随着自动驾驶的热潮,它也备受瞩目。

自动驾驶

激光雷达实际上是一种工作在光学波段(近红外)的雷达,最早对它的定义是LIDAR,即 Light Detection and Ranging。不过,更准确的应该是“LADAR”这种叫法,即Laser Detection and Ranging,激光探测和测距。

特点

与同样在汽车中有着一定应用的微波雷达相比,工作在光学波段的激光雷达其频率比微波高2-3个数量级以上,有着更高的距离分辨率、角分辨率和速度分辨率。因此,激光雷达在测量过程中可带来距离、角度、反射强度、速度等更丰富的信息,凭借这些数据便可生成目标多维度的图像,协助我们或系统对探测目标拥有更详细的认知。

另外,由于激光波长短,能发射发散角非常小(μrad量级)的激光束,多路径效应小,即不会形成定向发射,与微波或者毫米波产生多路径效应,抗干扰能力强,可实现低空、超低空目标的探测。而激光主动探测拥有不依赖于外界光照条件或目标本身辐射的特性,只需通过探测自身发射的激光束的回波信号来获取目标信息,所以还可实现全天候的工作。不过,激光雷达易受大气条件以及工作环境的烟尘影响,要实现全天候的工作环境在目前来讲还是最困难的事情。

原理

实际上,激光雷达技术的前提是激光测距技术。我们通常能见到的测距方法,从大类上可以分为:激光飞行时间(Time of Flight,TOF)法和三角法。简单来讲,它们分别适用于长距离测距和短距离测距。

TOF测距原理示意

而TOF法又可分为:

a)脉冲调制(脉冲测距技术),利用被测目标对光信号的漫反射来测距;

b)相位调制,对激光连续波进行强度的调制,通过相位差来测量距离信息。

而激光雷达对不同方法的选择主要取决于它的种类和实际应用。

分类

激光雷达也分很多类别。从调制出发,目前主要有直接探测激光雷达和相干探测激光雷达。现在常见的,包括自动驾驶、机器人、测绘所用的,基本上属于直接探测激光雷达。比较特殊的,比如测风、测速之类的雷达,则一般采用的是相干调制。

直接探测类型的激光雷达应用

中国海洋大学研发的车载多普勒测风激光雷达

图片来源:qingdaonews.com

如果从应用出发,那分类就较多了,比如激光测距仪、激光三维成像雷达、激光测速雷达、激光大气探测雷达等等。其中,激光三维成像雷达就包含了我们熟知的激光测绘,以及自动驾驶中的单线激光雷达和多线激光雷达。

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