9 s! Q! p$ J7 F% G) G/ A- T 激光雷达全面分析总共四篇,本文为基础篇,包含雷达相关知识,激光雷达的介绍,工作原理,核心部件,技术指标。第二篇为技术篇,之后两篇是市场篇以及产业篇,欢迎关注。
( z k" L; E- ]; p y, v- S2 H 1. 原理简单,毫米波/激光/超声波
: l) }6 S# M+ t* q: E 介绍激光雷达之前,先了解雷达。 ; Z: V% x" S8 G, r4 S/ G0 m% @7 ~
雷达,是英文“Radar”的音译,英文全称为Radio Detection and Ranging,即无线电探测和测距。 - Q J! p; r9 y! n# Y$ A
雷达向目标发射无线电波,通过发送信号与目标反射信号进行对比,来获得目标至发射点距离、距离变化率、方位、高度以及角度等信息。 , J1 P2 K$ J0 L. K' H
按照发射电波的频率或波长,雷达主要有以下应用:
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+ P! E' \8 R' I9 J$ s" i1 a: z 雷达发明于19世纪,直到20世纪30年代初才开始流行,在二战时期声名鹊起。 9 p8 e) m! }/ U# v( A. H; D
1938年,盟军在英国泰晤士河口布置了200公里长的雷达网,给希特勒造成极大的威胁。随后,英国海军又将雷达安装在军舰上,在海战中发挥了重要作用。
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雷达不仅运用在军事上,还可用于探测天气,海洋测绘,民用飞机航空管制,查找地下20米深处的古墓等。 * h" \) U2 \4 @# Z$ o
虽然各种雷达的用途和结构不尽相同,但基本构造是一样的,简单来说都包括:发射器、接收器机和处理器。 , C* V( o; {9 c$ H! N
雷达发射无线电波,事实上,不论无线电波,还是我们平时看到的可见光,在本质上都是电磁波,在真空中传播的速度都是光速。 # T& M" E, N2 O5 w
下图为电磁波图谱:
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根据公式:光速= 波长 * 频率,频率越高,波长越短。波长越短,意味着分辨率越高;而分辨率越高,意味着在距离、速度、角度上的测量精度更高。
. ?" s, q& o' G) `, d0 U 目前应用于汽车无人驾驶的雷达主要有三种: ' P/ _$ O4 J3 ~; \* X( q% E8 h
1. 介于微波和红外线之间,频率范围10GHz—200GHz,波长为毫米级,毫米波雷达;
8 o+ a; ?' `3 @" h& O0 t/ _ 2. 介于红外线和可见光之间,频率大致为10^14Hz(100000GHz),波长为纳米级,本文的主角——激光雷达; ( R( y; z. h# O% d- S
3. 频率高于20000Hz的超声波雷达;
+ [! N/ R( |5 `- D. M l8 U& d 需要指出的是,毫米波和激光属于电磁波一种,是电磁场的一种运动形态;而超声波属于声波,是物体机械振动状态的传播,超声波振动频率大于20000Hz,一般人耳听不到。
1 m, G2 M4 V/ @% f; B6 V2 N! B 无论是普通雷达,激光雷达,毫米波雷达,或者超声波雷达,其工作原理都是一样的,发出信号,测量从物体反射回来的时间,由于光速恒定,因此可以通过测量时间来计算距离。这一物理学基础在过去一个世纪中并没有改变。
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9 c$ f: z! w* E, ^5 m+ P 2. 最大优势:三维点云建模
: N+ g8 t. {8 H% N f% \ 了解了雷达之后,开始介绍激光雷达。 ' p. t" y( _ ]# k$ \0 R
激光雷达(英文Lidar),英文全称为Laser Detecting and Ranging,即激光探测和测距。 0 Z: c3 X5 ~& v! V, |' y" p! M8 O
与雷达工作原理类似,激光雷达通过发射和接收激光束。
/ G) |; p4 [. [9 h; }. v 通过测量激光信号的时间差和相位差来确定距离,通过水平旋转扫描来测角度,并根据这两个参数建立二维的极坐标系,再通过获取不同俯仰角度信号获得三维中的高度信息。 8 K3 ]6 r2 X2 ~4 _+ |$ d: J
高频激光可在一秒内获取大量(约150万个)的位置点信息(称为点云),并根据这些信息进行三维建模。 8 n& Y& R) a/ T5 r% a
- C0 R+ A8 K! m- p7 P3 y) X 除了获得位置信息外,激光信号的反射率可以区分目标物质的不同材质。激光雷达的维度(线束)越多,测量精度越高。 # e' ^/ q, o2 O& n& f! r
由于激光频率高,波长短,所以可以获得极高的角度、距离和速度分辨率。 6 u, I/ G# e' ~# S ~& y: u7 X
距离和速度分辨率高,意味着可以利用多谱勒成像技术,创建出目标清晰的3D图像,这就是激光雷达最大的优势。
5 d1 Y' J. F4 g8 [- l 在激光问世的第二年(1961年),就有人提出了激光雷达的设想,在1971年阿波罗15号任务中,美国宇航员使用激光高度计来绘制月球表面,让人们认识到激光雷达的准确性和实用性,得到了广泛的关注。
) C/ u' ^8 ~1 |: d 世界第一款汽车用激光雷达是美国Velodyne公司生产的64线激光雷达,首次亮相于2005年无人驾驶挑战赛。 ( |; g7 V+ g0 y: A
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3. 工作原理和组成:四大系统,八个指标* N9 l7 G, c2 Z, y3 Q& i
激光雷达 = 激光发射+激光接收+信息处理+扫描系统 ' u' g0 D2 d2 m! `) y
下图所示为激光雷达系统组成: 1 {5 Q4 B G- n9 z) W
& Y4 K$ q2 ~! h9 G! \: W 激光发射系统:激励源周期性地驱动激光器,发射激光脉冲,激光调制器通过光束控制器控制发射激光的方向和线数,最后通过发射光学系统,将激光发射至目标物体; & |$ l2 f& C* P, f6 D5 \/ x
激光接收系统:经接收光学系统,光电探测器接受目标物体反射回来的激光,产生接收信号; : ^1 K, i- o! C' l! p6 `1 o$ R
信息处理系统:接收信号经过放大处理和数模转换,经由信息处理模块计算,获取目标表面形态、物理属性等特性,最终建立物体模型。
5 | g4 v$ c2 u( ? 扫描系统,以稳定的转速旋转起来,实现对所在平面的扫描,并产生实时的平面图信息。 ' `, N8 s4 Y% s9 V, {# B u7 @
下面放一张动图,更加形象生动: . C* n- D9 z3 u- [# r+ t/ n7 g
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下图为激光雷达的核心器件,除了光学镜片之外,大部分都为电子元器件。 o; I" M" {# z# s* ]2 {, n% o9 N
3 |' A+ [- [' K0 ] 激光雷达实物具体什么样?& X4 S! l/ c e" c
下图为Velodyne公司的64线激光雷达HDL_64E。
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该雷达前端上下分布有四组激光发射器(每组16个发射机,共64个)和两组激光接受器(每组32个激光接收机,对应64个)。
* {0 i. ~5 ~1 `0 v4 }; U 在电路的控制下,发射机和接收机按照时间顺序轮流工作,在水平和俯仰方向形成光学扫描。 : |1 ^8 T1 ]$ W4 k n$ b
一般来说,用以下八个技术指标来评价激光雷达: 最大辐射功率:决定是否需要防护水平视场:是否360度全视角旋转垂直视场:俯仰角角度(30度/15度)光源波长:光学参数(纳米级别)测量距离:是否满足长距离探测(200米)测量时间和帧频率:激光返回一圈的时间纵向和水平分辨率:对算法影响大,精度越高越贵测距精度:厘米级( {4 i( z2 i0 `+ [" H. ^; b
(下一篇技术篇,包括激光雷达的分类,关键技术以及主要挑战,敬请期待) p% O7 j% x! ]- ^' l8 y: n
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