自動駕駛的明眸慧眼

史金陽 陳鯤

什么是雷達？

雷達一詞來源于Radar的英文音譯，是英文“無線電探測與測距”的縮寫。顧名思義，雷達的作用是發現目標與確定目標的“位置”，這和我們眼睛的功能是極為相似的。

那么雷達是如何工作的呢？舉個形象的例子，當我們處于一個沒有燈光的黑暗環境時，我們很難通過肉眼分辨周圍的物體。此時我們打開手電筒，周圍變得清晰并且可以比較準確地定位周圍物體的相對位置。這個發現周圍物體的過程可以分解為以下步驟：

首先，我們使用手電筒發射燈光，使得手電光照在周圍的物體上，由于物體的表面不能完全吸收這些光，所以會反射一些光到環境中。隨后，眼睛接收到這些反射的燈光并把眼睛接收的燈光信息轉換為神經脈沖信號。神經脈沖信號經過神經的傳導到達大腦。最后，大腦經過判斷，意識到周圍物體的存在并根據雙眼角度確定物體的相對位置。當然，以上過程只在一瞬間就完成了。

如果將上述過程中的手電筒換成一個雷達的發射機，接收光線的眼睛替換為雷達的接收機，雷達的信號處理系統等效為大腦，我們就可以形象地理解雷達系統的運作原理了。雷達通過脈沖回波與發射脈沖的間隔確定與目標的距離。之后通過實驗測量出電磁波在當地環境下的傳播速度，然后便可以通過確定發射脈沖與反射波的間隔確定電磁波的飛行時間。當我們擁有了速度與時間兩個參量，我們就可以使用速度與時間的乘積的一半計算出兩者間隔的距離。

全天候“服務管家”——毫米波雷達

毫米波指波長介于1～10納米的電磁波，毫米波雷達則指工作在毫米波波段的雷達。毫米波的波長介于厘米波和光波之間，因此毫米波兼有微波制導和光電制導的優點。毫米波雷達得益于特殊的高增益天線（天線增益越高，方向性越好）設計，它的方向性極強，能夠準確地辨別障礙物的相對位置。假如當雷達的方向性相對較差的時候，它將照射一個較大的范圍，那么如果出現障礙物，我們很難準確測量它的相對位置，只能確定它在這個范圍內的某個位置附近。而當雷達的方向性較好的時候，一旦探測到了物體，物體的位置就可以更加準確地框在這個較小的范圍內。

由于毫米波具有較好的穿透性，所以毫米波雷達在煙霧、揚塵環境中仍然可以對周圍環境準確感知，具有全天候全天時的特點。這些特性對于自動駕駛而言極為重要，它可以在能見度較差的條件下分辨來往車輛、人員、低矮路障以及細小障礙物，避免車輛因為缺乏對周圍信息的感知而作出錯誤決策，從而為乘客的安全提供有效的保障。

駕駛界的“香餑餑”——激光雷達

要想實現車輛的輔助駕駛或更高階的自動駕駛，車輛必須要能感知自己所處的環境，這對于汽車行業是一個新的挑戰，也是實現自動駕駛最關鍵的一步。

激光雷達也可以叫作Lidar，就是激光（Laser）與雷達（Radar）的集合。其實大家對它并不陌生，因為在很多無人駕駛汽車在道路上進行行駛實驗時，車頂上都會架一個看上去和攝像頭差不多，但是會一直在一定角度內旋轉的“小罐子”，那通常就是激光雷達了。

激光雷達是一種利用光波進行測量的主動探測方式。主動探測方式是指探測系統通過接收自身發出的信號回波來進行測量，區別于例如攝像機等通過接收環境光獲取信號的被動探測方式。激光雷達通過測量激光從發出經障礙物反射到被傳感器接收所經歷的時間，來計算障礙物的距離。

大腦發現物體的過程（供圖/ 史金陽）

搭載雷達的無人駕駛汽車（供圖/ 史金陽）

舉個例子來說，毫米波雷達可以發現路邊障礙，但只能“看到”模糊形體，而厘米級精度的激光雷達則可以在極短時間內清楚區分出障礙是路肩還是斜坡。若無人駕駛汽車斷定是斜坡后，就可以作出安全開上車道的決策。這種精度對上路行駛的無人駕駛汽車而言，可以更接近極致安全。

由于激光波長比毫米波短3個數量級，因此分辨率精度比毫米波強很多，可以清楚地識別周圍的車輛、行人與障礙物。但由于大多數物體在激光波段存在吸收與反射，傳播距離也比毫米波短不少，雨天時，激光可能被雨滴吸收或反射，干擾行車安全。由于車路協同是未來自動駕駛的趨勢，激光雷達也可以應用到路端，由路端實時掃描并同步推送給附近車輛。

?雷達系統發現飛行物的過程（供圖/史金陽）

激光雷達與毫米波雷達是汽車探路的左膀右臂。激光雷達處理近處高精度的建模，在復雜的街道保障行車安全。毫米波雷達處理遠處低精度的建模，保障復雜天氣的行車安全。

期待未來的無人駕駛汽車可以搭載低成本的激光雷達與毫米波雷達，全面應對復雜的道路狀況，讓出行變得更安全，交通更順暢。

?激光雷達的掃描感知圖（供圖/陳鯤）

激光雷達測距效果圖

知識拓展? ? 激光雷達“大解剖”

激光雷達主要由激光發射模塊、接收模塊、掃描器、透鏡天線和信號處理模塊組成。

激光發射模塊主要是發射激光脈沖，調控激光光束;激光接收模塊主要是接收返回的激光，產生信號;信息處理模塊主要是將信號放大分析計算并建模。而掃描器的主要作用則是以一定形式驅動雷達在一個或多個平面內掃描周圍情況，掃描器一般分為機械式、轉鏡式、微鏡式與泛光面陣式等。

機械式掃描器是將雷達掃描器裝在車頂上，機械轉動整個雷達掃描器，實現掃描（供圖/陳鯤）

轉鏡式掃描器是通過一個可機械旋轉的平面鏡控制光束出射角度，實現掃描，與機械式類似（供圖/陳鯤）

微鏡式掃描器通過調節微鏡發出電控光束實現掃描，缺點是無法360度掃描（供圖/陳鯤）

泛光面陣式掃描器內置一個擴束鏡，通過向前方發射一束發散的激光，可以快速得到單一方向的數據，缺點是探測距離低，成像精度低（供圖/陳鯤）