激光雷達技術研究現狀及其應用

李鑫慧，郭 蓬，臧 晨，戎 輝，唐風敏

（中國汽車技術研究中心，天津 300300）

1 概述

激光雷達 （Light Detection and Ranging，LiDAR）是一種環境感知傳感器，是雷達技術與激光技術的結合。由于激光本身具有單色性好、亮度高、分辨率高、靈敏度高等良好特性，這使得以激光為載波的激光雷達具有距離分辨率高、速度分辨率高、抗干擾能力強、體積小且不受無線電波干擾等環境感知優勢。因此激光雷達在環境建模、物體檢測識別、環境勘探測量等領域得到廣泛應用。并且相比于傳統微波雷達，在提供更強大感知性能前提下，體積更小質量更輕，在市場化產品的應用上優勢顯著。

目前市場上激光雷達產品種類眾多，按激光掃描線數可分為單線激光雷達和多線激光雷達，按雷達掃描原理分為旋轉式激光雷達和固態激光雷達。其中單線激光雷達主要應用于服務機器人，如常見的掃地機器人，其具有掃描速度快、可靠性高、分辨率強、成本低等優點，但由于單線激光雷達只具有單頻點激光的單路發射器和單路接收器，且多采用機械旋轉式掃描，在應用中有一定局限性，不適合復雜場景。而多線激光雷達具有多激光光束，且多采用非機械掃描的固態相控陣掃描方式，具有更強的環境感知能力。多線激光雷達主要應用于無人駕駛汽車，可以實現實時多物體運動軌跡跟蹤，獲取周圍環境點云構建3D環境模型。但是目前激光雷達較高的技術壁壘和成本價格，使其市場推廣和產品落地受阻。激光雷達的成本控制是其未來發展的主要趨勢，未來更多供應商的加入勢必會推動激光雷達解決方案的落地，以及成本的降低［1］。

2 國內外關于激光雷達的研究現狀

2.1 國外激光雷達研究現狀

自1960年美國科學家梅曼研制出第一臺紅寶石激光器起，用于環境感知的激光雷達開始被大量研究。相關研究最先是從激光測距儀開始，在1961年第一臺軍用測距儀通過美軍方檢驗，進入實際應用中，在1971年美國軍隊裝備AN／GVS3測距儀用于軍事偵察。而后激光環境勘測從單點測量，發展到二維掃描。從90年代開始，可以計算出地形圖像的機載激光雷達開始被應用在地形勘測中，如1995年美國TopScan公司開發的機載地形測量激光雷達，2003德國Leica公司研制的ALS50系列地理勘測激光雷達。

近年來，隨著激光雷達的技術發展和智能交通的發展需要，能進行三維立體掃描的車載激光雷達設備逐漸落地，產品商業化的公司有美國Velodyne公司、法國的TopoSys公司、德國IBEO公司和Sick公司等。其中美國Velodyne公司產品的性能和精度處于國際領先地位，幾乎成為自動駕駛行業激光雷達選型的黃金標準，其16線、32線、64線的產品被廣泛應用在自動駕駛車輛上。不論是國際高校間的自動駕駛比賽，還是諸如谷歌百度等參與自動駕駛研究的企業，其研發出的自動駕駛車輛都能看到Velodyne激光雷達的身影。

2.2 國內激光雷達發展現狀

相對于國際研究水平，我國對激光雷達技術的研究起步較晚，在80年代航天科工研制的激光測距機實現200 m內0.5 m誤差的遠程測距。另一方面受軍用激光協會大力支持，國內研制出紅寶石激光人造衛星測距機、用于復雜地形測繪的飛機機載激光航測儀。在2007年以前國內高校及研究院所在激光技術層面有不錯積累，但是在激光產品商業化產品化上基本沒有，主要激光應用場景基本依賴國外進口產品。2007年以后，國內激光雷達產品才開始逐漸被應用到軍事、民用以及工業領域。

隨著國內無人駕駛行業和國際浪潮一起井噴發展，國內也涌現出幾家激光雷達廠商。其中以速騰聚創、北科天繪、鐳神智能、思嵐科技、禾賽科技等創業公司為代表的國產激光雷達產品逐漸獲得市場認可，并在智能汽車中使用。但相比國際領先產品，如Velodyne，國產激光雷達在精度、穩定性上還有差距，主要以價格優勢搶占市場。國產激光雷達廠商在原理技術和生產工藝上仍需跟上國際步伐。

3 激光雷達的技術原理及測試

3.1 激光雷達的技術原理

激光雷達是一種通過測量發射脈沖激光光束與傳感器接收的反射脈沖光束實現非接觸式距離測量和多維度掃描的儀器。激光雷達通過對接收模塊捕獲的反射光束進行信號處理，比如消噪聲重構，最后結合強度像和距離像的融合，經現實設備輸出待測目標的三維圖像［2］。經過激光雷達處理器解算可得到被觀測物的立體稠密點云坐標數據，而這些高精度多維數據經過特定算法可解算出被觀測物距離、方向、速度、姿態等重要參數。

目前主流的激光雷達產品主要采用的探測技術方案集中在三角測距激光雷達和TOF（Time of Flight）激光雷達兩種。

3.1.1 三角測距激光雷達

基于三角測量法激光雷達由激光發射器和接收器兩部分組成，其中接收器一般采用線性CCD或線性CMOS，接收器可看作小孔成像模型。發射器發出激光，當光束到達物體表面后發生反射，反射光束再被接收器捕獲。發射器與接收器之間存在一定間隔，稱之為基線長度。基線長度的存在使得當物體與激光雷達的距離改變時，接收器內部CCD接收到激光光束的位置點也隨之改變。該類型的激光雷達可以根據三角公式，計算出觀測物的距離。

三角測距激光雷達的原理圖如圖1所示，該方案的測量精度受被觀測物距離遠近的影響較大。一旦物體距離較遠，其反射光點會聚集于o附近，極大地損失距離分辨率。

圖1 三角測距激光雷達原理圖

根據原理圖可知基線長s，與發射器Laser光軸夾角為β，觀測物Object與基線距離q。接收器滿足小孔成像模型，鏡頭與CCD芯片的焦距為f。線性CCD中點為o，反射光軸在CCD上投射點與o距離為x。則有：

式中：f——焦距；q——觀測物與基線距離；o——CCD中點；s——基線長；x——接收點與o距離；β——發射器與光軸夾角。

3.1.2 TOF （Time of Flight） 激光雷達

TOF是一種利用光飛行時間的光學測距方式，大量應用于激光雷達、深度攝像頭等三維深度感知傳感器上。TOF激光雷達主要由發射器、接收器、高精度計時器組成。激光發射器發射出已調制的激光光束，光束到達觀測物表面并反射回接收器。TOF激光雷達的原理圖如圖2所示，TOF激光雷達雖然體積小、抗干擾性強，但是其測量分辨率受計時器計時精度限制，且功耗較大。

圖2 TOF激光雷達原理圖

TOF激光雷達內部計時器記錄下激光發射時刻t1和接收時刻t2，如圖2所示，時間差即被稱為光飛行時間。由于光速c已知，即可通過以下公式計算出觀測物距離d：

式中：t1——發射時刻；t2——接收時刻；c——光速；d——觀測物距離。

3.2 激光雷達的測試技術

激光雷達在自動駕駛領域的快速發展快速應用，然而目前市場尚未存在針對激光雷達測試的統一標準。各大廠商在發布自家車載激光雷達產品的同時，均給出自家產品相關的測試數據文檔。結合各大廠家測試報告的內容，激光雷達測試項目可劃分為室外場景和室內場景兩大主要方面。

對于室外場景，測試項目主要包括：激光雷達測距能力、各通道測距一致性、行人檢測能力、車輛檢測能力、電線桿檢測能力、障礙錐檢測能力。通過激光雷達在不同測試環境、不同距離下記錄點云效果，進行各項能力的對比和評估。

對于室內場景，測試項目主要包括：無效點對比測試、墻面厚度對比測試、邊緣效應對比測試等。無效點對比測試是將激光雷達放置于被測環境中，測試無效點所占百分比。墻面厚度對比測試是將激光雷達垂直于墻面并保持水平，統計激光雷達距墻面不同時墻面的點云分布，主要用于測試激光雷達的測量精度。邊緣效應對比測試是將標定板部分靠在墻體上，觀察未靠在墻壁部分的邊緣的雜點數。

4 激光雷達的應用

伴隨著軟硬件的研發生產水平提升，激光雷達在不同領域有很多成功的應用，其主要被應用于：大氣環境監測、城市三維制圖、智能汽車及智慧交通等場景。

4.1 大氣環境監測中的應用

由于激光具有探測波長短、波束定向性強和能量密度高的特性，激光雷達最初便被廣泛應用于測量大氣參數，如云的高度和密度、云粒子特性、微量氣體濃度、溫濕度、氣壓、風場等［3］。氣象激光雷達包括：彈性反向散射激光雷達、差分吸收激光雷達、拉曼激光雷達、多普勒激光雷達。

其應用形式分為地基 （Ground-based）和機載 （Airborne）兩種。激光雷達在地面時，首先可利用大氣的反向散射可直接測量云粒子和氣溶膠的分布情況，其次在特殊的波長和偏振下還可測得風場或卷云冰晶的狀態，另外通過測量反向散射光的頻率可測得光束方向上的溫度和風速。而機載激光雷達通常采用差分吸收法，將波長調制到待測氣體成分的激光吸收線，利用兩個或多個間隔相近的波長來分解地面的表面反射率以及其他傳輸損耗，測量出地面對不同激光波長的表面反射率，從而確定對應的氣體成分在大氣中的混合比，常用于測量二氧化碳、甲烷、臭氧等氣體。

4.2 城市三維建模中的應用

在城市化和工業化進程中，具有城市三維模型的數字化城市規劃系統能助力于優化城市建設、社會建設，這使得城市規劃管理部門迫切需要高精度遙感地理信息系統來促進城市地區的可持續發展。在城市遙感解決方案中，激光雷達是目前用于構建城市三維模型的技術中最準確、快速的測繪技術。

典型的激光雷達由飛機、無人機操作，利用激光雷達獲取的城市建筑點云，融合機載GPS或慣性測量單元（IMU）等信息，快速構建數字城市三維模型［4］。建模的過程包括對點云的濾波預處理、點云分割和特征提取、匹配點的配準等，而這些目前在城市建模已有較為成熟的方案。

4.3 智能汽車及智慧交通領域中的應用

激光雷達在智能汽車的輔助駕駛和安全保障上有大量應用，包括自動泊車系統、自動巡航系統、緊急制動輔助系統、無人駕駛系統等。在自動泊車系統中，激光雷達被安裝于車頂或車身四周，用于檢測停車位位置、感知周圍車輛等障礙物，為車輛控制決策系統提供環境輸入［5］。在無人駕駛系統中，需要融合多種傳感器的數據來實現環境感知，而激光雷達在其中提供著重要且詳細的環境信息，用于自動駕駛車輛的高精三維地圖構建。

在智慧交通領域，激光雷達被應用在交通監控、交通執法、自動電子收費等系統中。在交通監控中，通過激光雷達能獲取到比視頻監控更為精確的車流點云數據，在對海量車流數據分析的基礎上智能化控制交通信號，調度車流。

5 結語

激光雷達近幾年發展迅速，相比國際產品性能，國產激光雷達技術仍需持續攻堅投入。激光雷達在各領域均存在專用激光雷達設備的廣泛應用，但行業仍需一套統一化規范化測試標準。激光雷達在自動駕駛領域受到了極大的關注，不僅提高了汽車的輔助性安全性，更為今后無人駕駛的實現提供可能。未來在各方企業和科研單位的推動下，激光雷達技術將會得到進一步發展，同時將會應用到更多不同的場景和領域。