1 典型傳感器介紹
車載傳感器是智能駕駛的重要組成設(shè)備，是車輛感知外界環(huán)境的關(guān)鍵所在。目前，ADAS (Advanced driver assistance system ，智能駕駛系統(tǒng)) 主要集中在激光雷達、單目相機、多目相機、毫米波雷達等方面。以Google、百度為代表的公司選擇激光雷達作為其自動駕駛的主要傳感器，以Tesla為代表的公司考慮到激光傳感器成本因素后，選擇以毫米波雷達、超聲波雷達和Mobileye等傳感器組合使用的方案，盡量避免使用激光雷達。

1.1 激光雷達
1.1.1 雷達簡介
激光雷達(英文：Lidar, Light detection and ranging) 是激光探測及測距的簡稱，是通過向目標(biāo)發(fā)射脈沖激光以探測目標(biāo)位置，速度等參數(shù)。激光雷達早期主要用于軍事和民間測繪(GIS)，考古學(xué)，地理學(xué)等領(lǐng)域[1],近年來隨著自動駕駛技術(shù)的興起，對于環(huán)境感知的要求越來越苛刻，激光雷達在自動駕駛領(lǐng)域的應(yīng)用也隨之展開。

與其他傳感器相比，激光雷達選擇使用工作頻率較高的頻段，主要有以下優(yōu)點：

a) 高分辨率
激光雷達角分辨率不低于0.1mard,及可以分辨出3km距離上相聚0.3米的兩個目標(biāo)，并可同時跟蹤多個目標(biāo)，百米內(nèi)的距離分辨率可達0.1m，速度分辨率可達1m/s; 距離和速度分辨率高可以利用距離多普勒成像技術(shù)獲取目標(biāo)的清晰圖像。

b) 抗干擾性強
激光波長短，可發(fā)射發(fā)散角較小的光束，方向性好，只有在其傳播路徑上才能接收到，不易形成多路徑效應(yīng)；

c) 信息量大
微波雷達由于存在各種地面回?fù)艿挠绊?，低空存在一定無法探測的區(qū)域，而對于激光雷達，只有被照射的物體才會產(chǎn)生反射，不受地面回波的影響，理論上可以實現(xiàn)“零高度”工作，可以獲得豐富的地面信息。此外，不僅可以獲取目標(biāo)的距離，還可以獲取目標(biāo)的速度，反射率，角度等信息，生成目標(biāo)多維信息。

d) 可全天候工作
激光探測屬于主動探測范疇，不依賴于外界光照條件或目標(biāo)本身輻射特性，只需要發(fā)射激光光束，通過探測發(fā)射激光束的回波信號以獲取目標(biāo)信息。

激光雷達的缺點也十分明顯：

a) 受天氣和氣候影響大
激光在天氣情況良好的情況下衰減較小，傳播距離遠(yuǎn)；在大雨，霧霾嚴(yán)重或者濃煙等惡略天氣下衰減急劇加大，傳播距離受影響。

b) 激光對射
對于激光波段一樣，相互對射時，激光雷達無法判斷激光源是哪個雷達，形成相對干涉，影響激光檢測的穩(wěn)定性。

1.1.2 激光測距
激光測距方法主要可分為3種：脈沖測距，相位測距和三角測距。



其中，脈沖測距和相位測距的工作原理是在短時間內(nèi)向周圍發(fā)送大量光子，通過計算反射回來光子的飛行時間(TOF, Time of Flight),計算與周圍物體的距離。三角測距是通過測量激光照射點在相機中的成像位置獲取距離信息。

I 脈沖測距
脈沖激光測距原理是，用脈沖激光器向目標(biāo)發(fā)射一列很窄的光脈沖(脈沖寬度小于50ns)，光達到目標(biāo)表面后部分被反射，通過測量光脈沖從發(fā)射到返回接收機的時間，可算出激光雷達與目標(biāo)之間的距離。
假設(shè)激光雷達與目標(biāo)的距離為，光脈沖往返時間為，光的傳播速度為，則：




該測量方法用到了一個基準(zhǔn)：光速，改基準(zhǔn)帶來的優(yōu)點非常明顯，測量速度快，由于采用高峰值的激光進行測量，其抗強光干擾能力強。該測量方法的缺點是探測電路設(shè)計難度大，難以提高檢測精度，如果想將測距分辨率提高到1.5毫米，我們須將計時時鐘分辨率提升到10皮秒，即設(shè)計帶寬需要達到100G,現(xiàn)有技術(shù)很難達到。

II相位測距
相位測距法是利用特定的無線電波頻段對激光雷達發(fā)出的激光進行幅度調(diào)制，然后測定調(diào)制光往返測線一次產(chǎn)生的相位延遲，再根據(jù)調(diào)制光的波長，換算出該相位延遲所代表的距離。如下圖所示：



若調(diào)制光角頻率為，在待測量距離上往返一次產(chǎn)生的相位延遲為，則對應(yīng)時間 可表示為：



將此關(guān)系代入（3-6）式距離可表示為



式中：φ表示信號往返測線一次產(chǎn)生的總的相位延遲。ω表示調(diào)制信號的角頻率，ω=2πf;
N——測線所包含調(diào)制半波長個數(shù)。Δφ——信號往返測線一次產(chǎn)生相位延遲不足π部分。

在給定調(diào)制和標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，頻率c/(4πf)是一個常數(shù)，此時距離的測量變成了測線所包含半波長個數(shù)的測量和不足半波長的小數(shù)部分的測量即測N或φ，由于近代精密機械加工技術(shù)和無線電測相技術(shù)的發(fā)展，已使φ的測量達到很高的精度。

為了測得不足π的相角φ，可以通過不同的方法來進行測量，通常應(yīng)用最多的是延遲測相和數(shù)字測相，目前短程激光測距儀均采用數(shù)字測相原理來求得φ。

相位測距法的最大優(yōu)點是測距分辨率非常高，目前市場上相位測距儀都可以達到毫米量級分辨率。缺點是測量速度比脈沖測距慢，測準(zhǔn)一個相位差往往需要做上幾十到上百個周期，相當(dāng)于測量時間加長。此外相位測距精度容易受到形狀運動等因素影響，如果在測量的光斑里面有一前一后兩個目標(biāo)，實際測量距離是兩個目標(biāo)距離的一個平均距離，既不是前一個目標(biāo)的距離也不是后一個目標(biāo)的距離。

III三角測距
激光三角測距法通過測量激光照射點在相機中成像位置獲取距離信息，如圖，激光器LD 發(fā)出一束激光打在被測量物體上反射回來，經(jīng)過鏡頭成像于CCD(成像屏幕) 上，由幾何關(guān)系三角形相似得到被測距離。



式中，b為激光器光軸與接收鏡頭光軸之間的距離；f為接收鏡頭的焦距；x為接收像點到鏡頭光軸的距離；其中，b和f已知，只要測出x的值就可以計算出目標(biāo)的距離z。

三角測距法的優(yōu)點是技術(shù)難度低，成本也很低，在近距離測距精度也很高。某些工業(yè)上使用激光測距已經(jīng)可以做到百微米測量精度。缺點是檢測精度隨著檢測距離的增加而逐漸變差，此外，CMOS相機必須用一個連續(xù)的激光同步進行照明，這種測距方式一般適合室內(nèi)近距離工作，不適合在戶外強光背景或者室內(nèi)強光背景下工作。

表* 三種測距方法性能比較



脈沖測距成本和技術(shù)難度比較大，距離測量范圍和速度性能較好，距離檢測精度較相位檢測低一些，按目前檢測技術(shù)，基本上可以實現(xiàn)厘米級精度。目前，車載激光雷達大部分采用這種測距方法。