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| 本文作者： 周彥武 | 2017-10-22 16:00 |
雷鋒網(wǎng)按：本文為雷鋒網(wǎng)獨(dú)家專欄，作者系佐思產(chǎn)研研究總監(jiān)周彥武，雷鋒網(wǎng)經(jīng)授權(quán)發(fā)布。
毫無(wú)疑問(wèn)，激光雷達(dá)是自動(dòng)駕駛傳感器領(lǐng)域最熱門的投資領(lǐng)域之一，幾乎每個(gè)月都有 1 到 2 筆重大投資。
目前自動(dòng)駕駛領(lǐng)域傳感器主要有攝像頭、毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)組成。如果說(shuō)激光雷達(dá)兼具毫米波雷達(dá)和攝像頭的功能和優(yōu)點(diǎn)，又沒(méi)有它們的缺點(diǎn)，未來(lái)自動(dòng)駕駛只用激光雷達(dá)即可。
你肯定會(huì)說(shuō)這不可能，因?yàn)楝F(xiàn)在很多公司都強(qiáng)調(diào)多傳感器融合。為何激光雷達(dá)或一統(tǒng)江山？主要原因還是激光雷達(dá)的種類太多，分布十分廣泛，性能挖掘潛力巨大。
激光雷達(dá)按重點(diǎn)提供的內(nèi)容可以分為三大類：
一類是類似毫米波雷達(dá)，重點(diǎn)提供目標(biāo)的速度、距離和方位角，如 IBEO 的 4 線或單線激光雷達(dá)，某些固態(tài)激光雷達(dá)也是如此，如通用剛剛收購(gòu)的 Strobe。
一類是以三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)合成點(diǎn)云數(shù)據(jù)為重點(diǎn)輸出內(nèi)容，如 Velodyne 的 16、32、64 線激光雷達(dá)，還有固態(tài)單光子激光雷達(dá)。
最后一類是 2 維或 3 維圖像為重點(diǎn)輸出內(nèi)容的激光雷達(dá)，大多數(shù) Flash 固態(tài)激光雷達(dá)都是如此。
當(dāng)然 64 線激光雷達(dá)也可以輸出 3 維灰度圖像，但目前 64 線激光雷達(dá)的首要應(yīng)用還是點(diǎn)云，某些固態(tài)激光雷達(dá)也能在輸出圖像同時(shí)提供目標(biāo)的速度和距離但首要應(yīng)用還是圖像。
這些種類繁多的激光雷達(dá)常讓人迷惑，但從零部件上劃分，總體可分為 4 部分，即發(fā)射端、接收端、光學(xué)掃描器和光學(xué)天線。
發(fā)射端主要是激光器，NdYAG 固體激光器、CO2 氣體激光器和 GaAlAs 半導(dǎo)體二極管激光器、光纖激光器等最具有代表性。
接收端又可以叫光電探測(cè)器，主要有 PIN 光電二極管、硅雪崩二極管 (SiAPD)、硅光電倍增器（SiPM，又叫 MPPC），光電導(dǎo)型碲鎘汞 (HgCdTe) 探測(cè)器和光伏型碲鎘汞探測(cè)器。
光學(xué)天線則有透射式望遠(yuǎn)鏡（開普勒、伽利略），反射式望遠(yuǎn)鏡（牛頓式、卡塞哥倫），收發(fā)合置光學(xué)天線，收發(fā)分置光學(xué)天線，自由空間光路，全光纖光路，波片（四分之一、二分之一）分束鏡、合束鏡、布魯斯特窗片。
光學(xué)掃描器則有圓柱形（Velodyne），6-12 面多面體型，聲子偏轉(zhuǎn)器，壓電掃描器，光柵掃描器，光學(xué)相位掃描器，MEMS 鏡掃描器。
固態(tài)激光雷達(dá)大多源自三維圖像傳感器的研究，這種傳感器實(shí)際源自紅外焦平面成像儀，焦平面探測(cè)器的焦平面上排列著感光元件陣列，從無(wú)限遠(yuǎn)處發(fā)射的紅外線經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像在系統(tǒng)焦平面的這些感光元件上，探測(cè)器將接受到光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并進(jìn)行積分放大、采樣保持，通過(guò)輸出緩沖和多路傳輸系統(tǒng)，最終送達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)形成圖像。
大部分固態(tài)激光雷達(dá)則是主動(dòng)發(fā)射激光，激光到達(dá)目標(biāo)后反射回光線到達(dá)焦平面。也有某些低成本設(shè)計(jì)，干脆采用紅外二極管發(fā)射紅外光波，這種已經(jīng)不能算嚴(yán)格意義上的激光雷達(dá)。
實(shí)際上，傳統(tǒng)的 CCD 或 CMOS 圖像傳感器也是這樣的原理，只不過(guò)它們是接收自然光，除此之外唯一的差異在于接收端，CCD 或 CMOS 圖像傳感器使用的是 PN 型二極管，旋轉(zhuǎn)掃描型激光雷達(dá)是使用 PIN 型，而固態(tài)激光雷達(dá)一般是使用雪崩二極管 APD。
PN 型二極管更容易做到低成本和高像素，但是增益較低，動(dòng)態(tài)范圍窄。APD 是一種半導(dǎo)體光檢測(cè)器, 其原理類似于光電倍增管，在加上一個(gè)較高的反向偏置電壓后 (在硅材料中一般為 100 到 200 V)，利用電離碰撞 (雪崩擊穿) 效應(yīng), 可在 APD 內(nèi)部獲得電流增益。
APD 的工作模式分為線性模式和蓋革模式兩種。當(dāng) APD 的偏置電壓低于其雪崩電壓時(shí), 對(duì)入射光電子起到線性放大作用, 這種工作狀態(tài)稱為「線性模式」。
在線性模式下，反向電壓越高，增益就越大。APD 對(duì)輸入的光電子進(jìn)行等增益放大后形成連續(xù)電流，獲得帶有時(shí)間信息的激光連續(xù)回波信號(hào)。
當(dāng)偏置電壓高于其雪崩電壓時(shí)，APD 增益迅速增加，此時(shí)單個(gè)光子吸收即可使探測(cè)器輸出電流達(dá)到飽和，這種工作狀態(tài)稱為「蓋革模式」。
在蓋革模式下，單個(gè)光子即可使 APD 的工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)開、關(guān)之間的轉(zhuǎn)換, 形成一個(gè)陡峭的回波脈沖信號(hào), 因而具備單光子成像的能力。
總的來(lái)說(shuō)，蓋革模式 APD 具有單光子探測(cè)能力, 但是其需要淬火電路，且虛警率較高，而線性模式 APD 雖然能夠獲得目標(biāo)的灰度信息, 但是也有相對(duì)蓋革模式增益較低的缺點(diǎn)。蓋革模式下一般稱之為「單光子激光雷達(dá)」。
單光子激光雷達(dá)是一種能夠徹底顛覆空戰(zhàn)格局的雷達(dá)，由于其靈敏度極高，探測(cè)距離理論上可以非常遠(yuǎn)，三千公里都不成問(wèn)題，這點(diǎn)在軍事上非常有價(jià)值，F(xiàn)－22、B－2 等飛機(jī)高超的隱身性能，幾乎使現(xiàn)役雷達(dá)和光電探測(cè)系統(tǒng)變成「瞎子」。
但單光子探測(cè)系統(tǒng)極高的探測(cè)靈敏度，即使對(duì) F－22、B－2 這樣的隱身飛機(jī)，作用距離也可達(dá)到幾百到幾千公里，可在極遠(yuǎn)距離上發(fā)現(xiàn)隱身飛機(jī)，使其「無(wú)處遁形」。利用空中平臺(tái)或臨近空間平臺(tái)配裝單光子探測(cè)系統(tǒng)，構(gòu)建單光子探測(cè)網(wǎng)絡(luò)，只需幾部單光子探測(cè)系統(tǒng)就可實(shí)現(xiàn)對(duì)領(lǐng)空的全域覆蓋。
在此基礎(chǔ)上用地面或空中遠(yuǎn)程導(dǎo)彈構(gòu)建空中地面聯(lián)合火力網(wǎng)，把單光子探測(cè)網(wǎng)絡(luò)作為網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的目標(biāo)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可對(duì)任何位置（地面或空中）發(fā)射的導(dǎo)彈進(jìn)行目標(biāo)指引，有效攻擊全球目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)「全球感知，全球打擊」。將空戰(zhàn)由超視距作戰(zhàn)改為超超視距作戰(zhàn)。
單光子激光雷達(dá)用在自動(dòng)駕駛上，將提供超高密度的點(diǎn)云，達(dá)到 128 線甚至 256 線的效果，當(dāng)然，它無(wú)法做到 360 度。
*圖為 APD 3D 成像原理圖
自 1993 年開始，美國(guó)國(guó)防部開始資助美國(guó) MIT 的林肯實(shí)驗(yàn)室開發(fā)單光子激光雷達(dá)，這也是目前全球最優(yōu)秀的單光子激光雷達(dá)供應(yīng)者，1998 年林肯實(shí)驗(yàn)室推出第一代樣機(jī)。第一代樣機(jī)原理圖如下：
2001 年推出第二代，2003 年推出第三代。2010 年則首次將單光子激光雷達(dá)裝在噴氣式飛機(jī)上實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)掛載在噴氣式飛機(jī)機(jī)腹位置, 對(duì)地面進(jìn)行主動(dòng)激光照射并三維成像，同時(shí)在系統(tǒng)內(nèi)融合 GPS /IMU 信息， 實(shí)現(xiàn)對(duì)地面的偵察與測(cè)繪。
探測(cè)器是 32 × 128 的 InP /InGaAsP 蓋革 APD，激光器工作波長(zhǎng)為 1500nm，能夠全天時(shí)在 3 公里高空對(duì)地面進(jìn)行 2000 km /h 的快速三維成像, 距離精度為 0.3 m。
*對(duì)地成像
此后直到 2015 年，MIT /LL 在激光三維成像雷達(dá)方面的研究工作主要集中在開發(fā)性能更佳的近紅外波段響應(yīng) InP /InGaAs APD 陣列。近紅外波段的激光人眼安全并具備隱蔽性, 能夠通過(guò)提高功率的方式獲得更佳的探測(cè)性能。
目前林肯實(shí)驗(yàn)室可以提供 256*256 精度，預(yù)計(jì)到 2018 年可以達(dá)到 1024*1024 的精度，完全達(dá)到實(shí)用級(jí)別。2003 年日本防衛(wèi)省科技研究院實(shí)驗(yàn)成功了 35*35 精度的單光子激光雷達(dá)，目前估計(jì)也達(dá)到 256*256 的精度，但已經(jīng)屬于軍事機(jī)密。
2005 年德國(guó)知名導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)大廠，代傲國(guó)防系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室完成單光子激光雷達(dá)識(shí)別導(dǎo)彈真假?gòu)楊^的實(shí)驗(yàn)，有助于遠(yuǎn)距離啟動(dòng)攔截導(dǎo)彈。
上圖是豐田于 2013 年開發(fā)的基于 SiSPAD （硅單光子）的激光雷達(dá)原型。水平角分辨率高達(dá) 0.05 度，水平 FOV 為 170 度，垂直 FOV 較差，僅為 4.5 度。采用了少見了 870 納米激光，脈沖帶寬為 4 納秒，每秒高達(dá) 8 億 TOF，云點(diǎn)數(shù)為 326400，云點(diǎn)密度大約是 Velodyne VLP16 的 13 倍。
單光子激光雷達(dá)缺點(diǎn)是，存在死時(shí)間效應(yīng)。GM（蓋革）-APD 飽和后需要一定時(shí)間才能恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)，為使其可以連續(xù)正常工作需要采用淬火電路對(duì)雪崩進(jìn)行抑制。此外，GM-APD 有極高的靈敏度，其最噪聲因素更加敏感，通道之間串?dāng)_更嚴(yán)重。
線性模式 APD 陣列的優(yōu)點(diǎn)如下：光子探測(cè)率高，可達(dá) 90% 以上；有較小的通道串?dāng)_效應(yīng)； 具有多目標(biāo)探測(cè)能力； 可獲取回波信號(hào)的強(qiáng)度信息； 相比于 GM-APD，LM-APD 對(duì)遮蔽目標(biāo)有更好的探測(cè)能力。
缺點(diǎn)是靈敏度低于 GM-APD；讀出電路的復(fù)雜度大于 GM-APD（需對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、高速采樣、閾值比較、存儲(chǔ)等操作）。
單光子的優(yōu)點(diǎn)主要是云點(diǎn)高密度和適應(yīng)載體（飛機(jī)或?qū)棧┑母咚僖苿?dòng)，還有就是讀出電路簡(jiǎn)單，周邊電路成本低，缺點(diǎn)是信噪比不夠高，也沒(méi)有激光回波的強(qiáng)度信息，也就是無(wú)法取得灰度圖像，也無(wú)法單靠強(qiáng)度就識(shí)別樹木，草地，建筑物和道路，也很難對(duì)應(yīng)多個(gè)目標(biāo)。
線性 APD 的缺點(diǎn)是讀出電路復(fù)雜，成本高。再有就是單光子屬于敏感的軍用元件，全球各國(guó)都嚴(yán)格控制，不易取得穩(wěn)定，大量的供應(yīng)渠道。因此豐田在 2017 年還是轉(zhuǎn)向線性 APD，投資了 Luminar。
線性 APD 固態(tài)激光雷達(dá)起源自美國(guó) NASA 的火星探測(cè)計(jì)劃，為保證飛行器在火星表面安全著陸，需要一套三維成像雷達(dá)系統(tǒng)，為飛行器降落選擇合適的著陸點(diǎn)。
這項(xiàng)工作在 2003 年委托 ASC（Advanced Scientific Concepts） 公司負(fù)責(zé)，2005 年 ASC 開始為 NASA Langley Research Center(LaRC) 研制自主著陸和避險(xiǎn)系統(tǒng) (Autonomous Landing and Hazard Avoidance technology，ALHAT) 的三維成像雷達(dá)系統(tǒng) GoldenEYE。
2013 年, 該系統(tǒng)掛載在火星漫游車著陸器原型機(jī)夢(mèng)神號(hào) (Morpheus) 上, 在地面模擬月球表面環(huán)境測(cè)試, 探測(cè)器分辨率為 128 × 128，激光器單脈沖能量為 11 mJ, 接收光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)角為 3 度, 幀頻為 5 Hz?
飛行器在 200 米以上高空落體, 可以完成在有障礙物的場(chǎng)地自主著陸蔽障工作? 在激光功率一定的情況下, 可以通過(guò)將 128 × 128 像元合并為 11 ×11 像元, 通過(guò)合并像元的方式提高信噪比, 使雷達(dá)成像距離由 1. 8 公里 提升至 20 公里, 完成飛行器的全程自主著陸控制?
ASC 在 2016 年被德國(guó)大陸汽車系統(tǒng)公司收購(gòu)，在 2017 年展出了針對(duì)自動(dòng)駕駛的 3 維成像固態(tài)激光雷達(dá)。大陸未公布詳細(xì)參數(shù)，推測(cè)其最遠(yuǎn)距離可達(dá) 500 米，分辨率達(dá)到 256*256。年量產(chǎn)達(dá)到 10 萬(wàn)級(jí)的話，成本估計(jì)在 150 到 200 美元。
但是就目前來(lái)看，由于 APD 陣列的非均勻性造成的大多數(shù)線性 APD 都只能獲得距離像，灰度圖像依然存在很多問(wèn)題。下一步的發(fā)展是進(jìn)一步提高線性 APD 的像元數(shù)量并增強(qiáng)一致性，并提高分辨率。
國(guó)內(nèi)固態(tài)激光雷達(dá)十分落后，都停留在科研院所原型機(jī)階段（包括中科院上海技物所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)、桂林理工大學(xué)、中科院長(zhǎng)光所、南京大學(xué)等高校），目前最多能達(dá)到 8*8 的分辨率，與國(guó)外有 15 到 20 年的差距。
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