無人駕駛汽車激光雷達脈沖信號抗干擾技術研究

孫文明

摘 要：在無人駕駛汽車（簡稱無人車）環境感知系統中，激光雷達完成了對周圍環境的三維空間感知60%-75%的信息獲取，是實現汽車無人駕駛技術的關鍵傳感器。當無人車在道路上行駛時，激光雷達很可能被其他車輛發出的激光脈沖信號或人為因素所干擾，導致車輛誤判或漏判，造成極為嚴重的后果。本文在深入分析了車載激光雷達常見干擾形式后，提出了相應的抗干擾措施。

關鍵詞：無人駕駛汽車 車載激光雷達 串擾 串碼

Research on Anti-jamming Technology of Laser Radar Pulse Signal for Driverless Car

Sun Wenming

Abstract：In the environment detection system of driverless cars， laser radar completes the information acquisition of 60%-75% of the three-dimensional space perception of the surrounding environment， which is a key sensor to realize the technology of self-driving cars. When driverless cars are running on the road， the laser radar may be interfered with by laser pulse signals or human factors from other vehicles， leading to misjudgment or missing judgment of vehicles， resulting in extremely serious consequences. After analyzing the jamming types of laser radar in depth， the article put forward corresponding anti-jamming measures.

Key words：driverless cars， vehicular laser radar， crosstalk， the string of code

無人車在行駛過程中需要對周圍環境信息進行實時獲取并處理。相比無人駕駛技術組成單元中的其他類型傳感器，激光雷達探測的距離更遠，精度更高，使得谷歌、百度、Uber等主流無人車研發團隊均使用激光雷達作為環境感知與定位傳感器，與圖像識別等技術搭配，使無人車實現對路況的判斷。作為無人車安全和智能性的重要保障，車載激光雷達的運行穩定性極為關鍵。

1 車載激光雷達工作原理

1.1 車載激光雷達作用

激光雷達是激光探測與測距的簡稱，通過點云建立周圍環境3D模型。為了精準檢測復雜環境，激光雷達需要與多種傳感器組合使用。與視覺傳感器組合，不僅可以識別物體，還能實現目標空間測距、目標圖像識別等功能;與GPS定位組合，可實現車輛所需的高精度定位[1]。

1.2 車載激光雷達組成

車載激光雷達一般由激光發射器、接收器、信號處理單元和旋轉機構四大核心部件組成，如圖2所示。

1.3 車載激光雷達工作原理

（1）測距原理

激光雷達測距方法主要分為三種：脈沖測距、相位測距和三角測距[2]。因脈沖測距法測量范圍大、測量速度高、抗光干擾能力強，可實現厘米級精度的測量，目前無人車搭載的激光雷達基本上均采用這種測距方法。

無人車行駛時，激光雷達以一定的角速度ω勻速轉動，此時脈沖激光發射器向外發射一系列重復周期的高頻窄脈沖（脈沖寬度小于50ns），激光脈沖到達目標表面后被反射。通過測量激光脈沖折返時間，計算激光雷達與目標對象的相對距離。

（2）測速原理

車載激光雷達不僅需要檢測周圍環境中運動物體與無人車之間的實時距離，還需要測量目標物體與車輛的相對速度，可以采用多普勒頻移測速的方式求得。

假設激光雷達與目標物體之間的距離為S，則激光脈沖到達目標并且返回的全程中，波長λ額總數為，每個波長對應的相位變化，全程傳播路徑總相位變化為：

如果目標相對激光雷達運動，S和相位隨時間變化而變化，計算相位與時間的導數，可得角頻率為：

為多普勒頻移，計算公式為：

因此，只要測量出多普勒頻移，即可確定目標物體與激光雷達之間的相對速度，從而從計算出前方目標物體的實際速度。

2 車載激光雷達信號干擾類型

無人車在行駛過程中，路旁的灌木、雜草、雨雪霧、玻璃、道路上的各種障礙物以及日光影響下APD產生的散粒噪聲，并不會形成激光雷達的干擾源，這些都屬于汽車周圍的環境，可以通過優化算法識別探測。真正對激光雷達產生干擾的，是其他車輛發出的激光脈沖信號或人為因素造成的干擾，激光雷達無法判斷是否為自己發出的脈沖光[3-7]。汽車接收到錯誤信號后，極易誤判或漏判，嚴重者會造成交通事故。

常見的車載激光雷達信號干擾形式有：

（1）串碼及黑客攻擊。如果車載激光雷達發射的信號未被編碼、加密，當無人車行進時，黑客只需一臺激光發射器或計算設備（Arduino或RPi），對著無人車發射強幅度、高頻率的光源輻射，即可將激光雷達所有探測器全部飽和至失效，導致車輛無法正常工作;或者發送虛假信號，對無人車激光脈沖信號進行概念性攻擊，針對目標車輛進行控制;無人車為了準確識別路況，需要實時更新高精地圖，如果黑客把下載后的準確地圖替換掉，將會造成定位失效[8]。