激光雷达技术扫盲！
电动邦 电动小侦探 2021-05-04 10:20:26
大家好，我是电动小侦探！随着上海车展蔚来ET7、小鹏P5、极狐阿尔法S等车型登台亮相，自动驾驶又一次成了车展“迎接未来”主题的话题点。而三款面向城市高级辅助驾驶的车型，无一例外地搭载咱们眼中“传说”已久的激光雷达。这次小侦探就把这个让人又爱又恨的激光雷达拎出来，从原理到应用场景，用最浅显的方式给大家捋一捋它的前世今生。
激光雷达安全吗？
其实，激光雷达和咱们都熟悉的倒车雷达，物理原理是相通的。都是通过电磁波发射、反射，然后计算时间差得到环境和障碍物的距离信息。
汽车品牌之所以拼了命的撩拨激光雷达，是因为这东西正好弥补了摄像头和毫米波雷达的缺点，激光雷达的探测距离更远，受环境变化的影响较小，而且精度较高，甚至能通过发射出去的电磁波描绘出周围环境的3D图像。不过，激光雷达从概念到装车，可不是一帆风顺的。
从大蘑菇到豆腐块
普罗大众对于激光雷达的初认知，最早始于谷歌这台用于自动驾驶开发的小萌车，头顶上的“大蘑菇”便是激光雷达的一种——机械式激光雷达。它的工作原理就跟我们看潜水艇、战舰上的雷达扫描器一样，通过快速的旋转，实时扫描周围3 60°的环境信息。所以机械旋转式激光雷达的优点就很明显了：视野非常广！
但是，谁愿意将来自己的车顶着个大蘑菇呢？太难看了吧！不仅如此，旋转扫描的激光雷达涉及到机械结构之间的相互运动，一定程度上也影响了激光雷达的可靠性和使用寿命。因此，我们对量产车激光雷达的诉求就诞生了：
1、缩小体积，别太显眼，否则影响车辆美观度；
2、降低机械结构的参与，拓展使用环境和耐用性。
小时候咱们在课堂上，有没有拿小镜片晃过老师？众所周知，电磁波是可以反射的，那我可不可以固定住发射源，不让它转，而是让电磁波在发射路径上“旋转跳跃”呢？于是，混合式激光雷达走进了汽车厂商心中。混合式激光雷达内部有一块MEMS振镜，在驱动电路的带动下，MEMS振镜产生高频旋摆，而激光源是固定不动的，打在振镜上的电磁波就会在振镜的转动下，快速扫描镜头前方的环境。
说白了，混合式激光雷达的激光源就好比是太阳，MEMS振镜就是你手中的小镜片，黑板和老师就是被测物体，你用手（伺服电机）疯狂地带动小镜片，在老师和黑板间打出移动的光斑，全班同学（接收器）在欢笑声中目送你罚站……这就是混合式激光雷达的工作过程。
不难看出，混合式激光雷达避免了大规模的机械旋转，体积可以做得更小，也在一定程度上提高了可靠性。我们来看一款成品，2017年奥迪推出新一代A8，这也是混合式激光雷达首次搭载到量产车上面，布置于牌照区下方。从外面我们看不到激光雷达的旋转动作，但它可以提供145°的水平视角，80米的有效探测距离。
混合式激光雷达，里面还是有个伺服电机，能否进一步减少机械运动呢？可以！全固态激光雷达，其中“固态”指的就是内部结构全部固定，彻底不存在机械运动。目前，实现全固态有两种途径，一种是光学相控阵（OPA），一种是闪光（Flash）。
咱们先说相控阵，如果您是军迷，想必对相控阵应该不会太陌生。既然机械结构不动，我就让电磁波自身发生变化！水波和光的双缝实验，物理课上都讲过吧，简单说就是利用波的干涉特性，经过缝隙后会在某个方向加强，其他方向减弱。相控阵激光雷达也是利用这个基础原理，做了很多导管并排成阵列，激光光源经过导管阵列后会发生多缝干涉，产生定向增强的波束。此时我们再去调节激光光源的波长或相位，就能获得激光扫描的效果。
而Flash激光雷达的原理，更像我们再熟悉不过的相机。它是直接用激光光源在传感器上打出一个平面，照射到物体后再反射回来，记录每个像素点的飞行时间并算出物体的距离甚至形状。因此， ? ?Flash激光雷达也被称为“面阵方案”，大家甚至可以把它简单理解成“激光3D相机”。
不过，相控阵和Flash在汽车领域的应用潜力还有待开发，毕竟汽车的工作环境复杂、恶劣，对探测距离也有较高要求。OPA和Flash要达到2 ? ?00米以上的有效探测距离，同时控制住成本，还需要一步步的努力。
安全性需要担心吗？
很多人谈“激光”色变，是因为激光在我们印象中常常伴随着武器一起出现。事实上，激光也是电磁波的一种，而它的频率高于可见光范畴，再加上激光切割、激光近视手术等名词，这些都进一步加深了人们对激光的恐惧心理。
抛开剂量谈毒性，都是耍流氓。事实上，车载激光雷达的安全性完全无需担心。以国际电工委员会ICE对激光设备安全等级的划分来看，Class1级要求“无生物性危害，不必特别管理”，符合这个等级的消费品有激光教鞭、DVD播放机等等。同时，激光雷达的波长一般不低于850nm，也是为了避开可见光波段。市面上的车载激光雷达主要有两种波长，分别是905nm和1550nm，小鹏P5属于前者，蔚来ET7属于后者。综合波长、输出功率、辐照时间等因素，车载激光雷达的安全等级要求也是Class1，目前来看还没有敢在量产车上对人眼安全提出挑战的厂商。
换句话说，现阶段我们见到的这些激光雷达车型，都是安全的。再去比较的话，1550nm的波长会在电磁波到达视网膜之前就被晶状体完全吸收掉，更是谈不上对视力有什么伤害。也正是这个因素，蔚来ET7的激光雷达允许采用更高的功率，从而获得更远的探测距离。这就涉及到接下来咱们要聊的——激光雷达的性能指标了。
如何理解这些参数
将来大家会越来越多看到“线程”这个词，我们可以将它看做是电磁波束的数量。单线激光雷达只有一个激光发射器和接收器，不管经过机械旋转，还是振镜旋转，最终投射出来就是一条线。而多线激光雷达是目前主机厂的共同选择，投射出多条平行线，从而绘制出内容更丰富的“雷达图像”。
显然，线程数量越多，激光雷达眼中的世界细节就越多。因为随着被测物体距离远近的不同，离得越远，打到物体上的激光扫描线间隔就越大。大家夜里用手电筒不也是么，照的越远光斑越小，亮度就越低。
不过线程数增加同时意味着发射源和接收器数量的增加，这成本肯定是水涨船高的。所以厂商也要根据自家产品激光雷达的使用场景合理规划线程数量，以华为的中长距激光雷达为例，96线程，10%反射率下能达到150米的探测距离，同时拥有120°的水平视角和25°垂直视角，非常适合城区场景。再远，探测效果就下降得厉害了。
测距能力和视场角，咱们结合线程一起来说。再举个例子，蔚来ET7的激光雷达拥有等效300个线程、120°水平视角、500米的最远探测距离。之所以能获得500米的最远探测距离，很大程度上是300个等效线程贡献的，线程数多了，才能维持远距离下的扫描密度。而且大家要注意“等效”两个字，ET7的激光雷达很有可能是通过振镜的极高频偏转来实现更高的扫描次数，以至于它用1颗发射器，就能获得机械式激光雷达3颗甚至5颗发射器的效果，因此才加上“等效”二字。
另外ET7激光雷达的功率势必更高，因为要同时满足大视野、长距离两个条件下的角分辨率和点云密度。1550nm的波长安全性前面提过了，除此之外，这个波段的穿透性更强，受烟雾等恶劣环境的影响较小。在我看来，ET7上面的激光雷达既想要120°的水平视角帮助车辆进行城市自动驾驶，又想让这颗激光雷达胜任高速上的远距离探测需求，所以等效300线程、120°水平视角、500米的探测距离都必不可少，即便用更少的发射器满足了线程需求，也很难压下成本。
视场角FOV，厂商们总爱宣传水平参数，因为数字大、好看，但水平+垂直才能真正描述一台激光雷达的可视范围。机械式激光雷达，就是那个蘑菇头，可以完美做到360°水平视场角。缩小体积变成混合式激光雷达后，目前多数厂商不超过120°（当然也要结合激光雷达的功能定位）。这里再把华为搬出来，我们看到目前已经装车的96线中长距激光雷达，FOV参数为120°水平+25°垂直，但亮点不在这里，普遍的激光雷达线束分布，越靠画面中央越密、越靠画面边缘越稀，而华为却能做到线束均匀分布，这大大降低了后端感知算法的难度。
- 总结
不可否认，未来两年将处于激光雷达大量装车，且多个技术路线共同发展的时期。面对厂商们的参数轰炸，我们可别掉到“为参数论”的险境当中，因为激光雷达还将经历一段时期的成本沉淀，不是说机械式激光雷达就落后、固态激光雷达就一定先进，每个技术路线都会找到自己的应用领域，甚至不一定在汽车上。自动驾驶领域，车载激光雷达一定要将参数和应用场景结合在一起考量，它不是一个独立的存在，而是跟整车传感器方案、定位、算法算力等共同服务于未来出行。
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