无人驾驶激光雷达LiDAR：最新原理介绍与性能测试.pdf-资料库

2019/1/21 临菲信息技术港 https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU0Mzg3MjE3NA==&mid=2247484555&idx=1&sn=8d2d6edb360cf423ddbe43cfe1d220c0&chksm=fb05814… 1/11 ⽆⼈驾驶激光雷达 L i D A R ：最新原理介绍与性能测试⼀、引⾔激光雷达，英⽂全称为 L i g h t D e t e c t i o n A n d R a n g i n g ，简称 L i D A R ，即光探测与测量，是⼀种集激光、全球定位系统（ G P S ）和 I M U （ I n e r t i a l M e a s u r e m e n t U n i t ，惯性测量设备）三种技术于⼀身的系统，⽤于获得数据并⽣成精确的 D E M （数字⾼程模型）。这三种技术的结合，可以⾼度准确地定位激光束打在物体上的光斑，测距精度可达厘⽶级，激光雷达最⼤的优势就是 “ 精准 ” 和 “ 快速、⾼效作业 ” 。它是⼀种⽤于精确获得 3 D 位置信息的传感器，其在机器中的作⽤相当于⼈类的眼睛，能够确定物体的位置、⼤⼩、外部形貌甚⾄材质。⽆⼈驾驶是当前激光雷达最热⻔的应⽤之⼀，将 L i D A R 应⽤于⾃动驾驶，要追溯到美国的 D A R P A （美国国防⾼等研究计划署），它举办了多次⽆⼈驾驶汽⻋挑战赛，在 2 0 0 7 年的 D A R P A 挑战赛上， 7 ⽀参赛队伍中的 6 ⽀都采⽤了 V e l o d y n e 公司设计的 L i D A R ，最终的第⼀⼆名就出⾃这六只参赛队。这引起了准备研发⽆⼈驾驶⻋的⾕歌的注意，之后⾕歌组建了队伍，最初的⼈员就来⾃这些参赛队员。⾕歌于 2 0 0 9 年推出⽆⼈驾驶汽⻋项⽬，在其⽆⼈⻋原型中使⽤的就是 V e l o d y n e 公司的 L i D A R 。原创：叶凌峡前天临菲信息技术港

2019/1/21 临菲信息技术港 https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU0Mzg3MjE3NA==&mid=2247484555&idx=1&sn=8d2d6edb360cf423ddbe43cfe1d220c0&chksm=fb05814… 2/11 图 1 . V e l o d y n e 公司的 L i D A R 近⼏年，⽆⼈驾驶汽⻋市场发展⽕热，⾕歌之后，百度、 U b e r 等主流⽆⼈驾驶汽⻋研发团队都在使⽤激光雷达作为传感器之⼀，与图像识别等技术搭配使⽤，使汽⻋实现对路况的判断。传统的汽⻋⼚商也纷纷开始研发⽆⼈驾驶汽⻋，包括⼤众、⽇产、丰⽥等公司都在研发和测试⽆⼈驾驶汽⻋技术，他们也都采⽤了激光雷达。 L i D A R 系统测量 3 D 空间中每个像素到发射器间的距离和⽅向，通过传感器创造出真实世界完整的 3 D 模型。操作 L i D A R 系统的基本⽅法是发射⼀束激光，然后测量光在物体表⾯反射⽽返回来的信号。 L i D A R 模块接收到反射回来的信号所需的时间提供了⼀种直接测量 L i D A R 系统与物体之间的距离的⼿段。关于物体的额外的信息，⽐如它的速率或材料成分，也可以通过测量反射回来的信号中的某些特性⽽得以确定，这些特性包括诱导多普勒频移（ i n d u c e d D o p p l e r s h i f t ）。最后，通过操控发射出去的光，可以测量出环境中许多不同的点，从⽽创建出完整的 3 D 模型。

2019/1/21 临菲信息技术港 https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU0Mzg3MjE3NA==&mid=2247484555&idx=1&sn=8d2d6edb360cf423ddbe43cfe1d220c0&chksm=fb05814… 3/11 图 2 . 激光雷达点云激光雷达（ L i D A R ）类似于微波雷达（ R a d a r ），但是分辨率更⾼，因为光的波⻓⼤约⽐⽆线电的波⻓⼩ 1 0 万倍。它可以区分真实移动中的⾏⼈和⼈物海报、在 3 D ⽴体的空间中建模、检测静态物体、精确测距。 L i D A R 是通过发射激光束来探测⽬标位置、速度等特征量的雷达系统，具有测量精度⾼、⽅向性好等优点，具体如下： 1 . 具有极⾼的分辨率激光雷达⼯作于光学波段，频率⽐微波⾼ 2 ～ 3 个数量级以上，因此，与微波雷达相⽐，激光雷达具有极⾼的距离分辨率、⻆分辨率和速度分辨率； 2 . 抗⼲扰能⼒强激光波⻓短，可发射发散⻆⾮常⼩的激光束，多路径效应⼩，可探测低空 / 超低空⽬标； 3 . 获取的信息量丰富激光雷达可直接获取⽬标的距离、⻆度、反射强度、速度等信息，⽣成⽬标多维度图像，易于理解； 4 . 可全天时⼯作激光雷达采⽤主动探测⽅式，不依赖于外界光照条件或⽬标本身的辐射特性。它只需发射⾃⼰的激光束，通过探测发射激光束的回波信号来获取⽬标信息。但是激光雷达最⼤的缺点是容易受到⼤⽓条件以及⼯作环境的烟尘的影响，要实现全天候的⼯作环境是⾮常困难的事情。⼆、基本原理与微波雷达原理相似，激光雷达使⽤的技术是⻜⾏时间（ T O F ， T i m e o f F l i g h t ）。具体⽽⾔，就是根据激光遇到障碍物后的折返时间（ r o u n d - t r i p d e l a y ），计算⽬标与⾃⼰的相对距离。激光光束可以准确测量视场中物体轮廓边沿与设备间的相对距离，这些轮廓信息组成所谓的点云并绘制出 3 D 环境地图，精度可达到厘⽶级别，从⽽提⾼测量精度。

2019/1/21 临菲信息技术港 https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU0Mzg3MjE3NA==&mid=2247484555&idx=1&sn=8d2d6edb360cf423ddbe43cfe1d220c0&chksm=fb05814… 4/11 3 . 基于激光雷达的 3 D 相机原理 [ 2 ] 为了构建 3 D 图像，需要光能达到可视范围内的所有测量点，在发射端，相机将通过光束控制单元调整光束的发射，来扫描对应测试区域。在接收端，来⾃⽬标反射的光线被收集起来，并且这些光对应发射源的传输时间将被进⾏计算，从⽽得到对应测量距离。三、性能度量对激光雷达来说，最重要的性能度量包括轴向测距精度，横向测量分辨率，视⻆范围，帧率，发射功率，最⼤测量距离，功耗，成本等。下⾯将针对相关性能度量作简单说明。 1 . 轴向测距精度轴向测距精度⼀般是指针对固定距离多次测量后的标准偏差，它与测距分辨率不同，测距分辨率主要是指激光雷达对轴向上的多个⽬标的区分能⼒。激光雷达获取的的数据可以进⾏障碍物识别、动态物体检测及定位，如果精度太差就⽆法达到以上⽬的；不过，精度太好也有问题，⾼精度对激光雷达的硬件提出很⼤的要求，计算量会⾮常⼤，成本也会⾮常⾼。所以精度应该是适中就好。 2 . 视场⻆及横向测量分辨率视场⻆是指 L i D A R 在⽔平和垂直⽅向上的视野范围，⽽横向或⻆分辨率是 L i D A R 区分在视⻆范围内相邻两点的能⼒。 3 . 发射功率及⼈眼安全对⽆⼈驾驶激光雷达的应⽤来说，具有较⻓的探测距离是⾮常重要的，对应则需要有较⼤的发射功率。然⽽，最⼤的发射功率会受到⼈眼安全规则的限制，这也是激光雷达相对微波雷达最⼤的设计影响因素，因为仅仅毫瓦级的激光束就可以对⼈眼产⽣严重的伤害。 4 . 最⼤测量距离激光雷达最⼤的测量距离⼀般受限于发射功率和接收机的灵敏度。在⽆⼈驾驶汽⻋这个应⽤领域，对激光雷达的探测距离是有要求的。⽐如说⾼速公路上要能够检测到前⽅⻋辆，还有在⼗字路⼝上，要能够观测⻢路对⾯的汽⻋。四、典型 L i D A R

2019/1/21 临菲信息技术港 https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU0Mzg3MjE3NA==&mid=2247484555&idx=1&sn=8d2d6edb360cf423ddbe43cfe1d220c0&chksm=fb05814… 5/11 从实现原理上来对 L i D A R 作个分类，⽐较典型的设计⽅案有脉冲调制（ P u l s e d ），调幅连续波（ A M C W ）和调频连续波（ F M C W ）。这对应了两种测距的⽅法，脉冲法和相位法。脉冲法测距的优点是测量距离远，系统体积⼩，抗⼲扰能⼒强，但精度较低；相位法测距的优点是精度⾼，但测量距离受到⼀定限制，且系统造价⾼。下⾯分别介绍⼀下这三种类型⽅案的原理及对⽐。 1 . 脉冲调制 L i D A R 图 4 . 脉冲调制 L i D A R 原理及应⽤ [ 2 ] 如图 4 所示，脉冲调制型 L i D A R 通过测量脉冲光到⽬标的往返时间来计算⽬标的距离。虽然脉冲调制型 L i D A R 是以调制⽅式来命名，但是它同样影响了接收机的设计，单光⼦雪崩检测器（ S P A D s ）的采⽤就是为了改善脉冲调制 L i D A R 的灵敏度和增强探测距离。（ a ）提供了⼀幅简明的脉冲调制 L i D A R 原理架构；（ b ）说明了 L i D A R ⼯作的时序图；（ c ）是芯⽚的显微图；（ d ）是使⽤ L i D A R 构建的⼈脸 3 D 图像。 2 . 调幅连续波 L i D A R

2019/1/21 临菲信息技术港 https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU0Mzg3MjE3NA==&mid=2247484555&idx=1&sn=8d2d6edb360cf423ddbe43cfe1d220c0&chksm=fb05814… 6/11 图 5 . 调幅连续波 L i D A R 原理及应⽤ [ 2 ] 类似脉冲调制 L i D A R ，调幅连续波 L i D A R 基于调制光的强度，不过调制的波不再包含尖锐的脉冲，技术的实现上有⼀定成本优势。调幅连续波 L i D A R 通过改变激光⼆极管中的极电流来调整发射光强度，从⽽实现调制。图 5 中展示了⼀种像素级图像获取设计的基本电路和时序图，并展示了其 3 D 图像的效果。 3 . 调频连续波 L i D A R

2019/1/21 临菲信息技术港 https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU0Mzg3MjE3NA==&mid=2247484555&idx=1&sn=8d2d6edb360cf423ddbe43cfe1d220c0&chksm=fb05814… 7/11 图 6 . 调频连续波 L i D A R 原理及应⽤ [ 2 ] 调频连续波 L i D A R 从根本上不同于脉冲调制 L i D A R 和调幅连续波 L i D A R ，调频连续波 L i D A R 依靠光波特性，对光的频率进⾏调制，在接收端采⽤相⼲检测⽅案，因此拥有⼤的频率带宽来提升激光雷达的性能。图 6 中展示了基本的调频连续波 L i D A R 的原理架构和调制⽅法，光频被针对时间轴进⾏线性调制，然后从发射机发出，返回光中包含了相位差，延迟，多普勒频移等信息，从⽽就可以得到需求的测量距离，速度等。详细的内容可参考⽂献 [ 2 ] 。 4 . 三种类型激光雷达的对⽐从图 7 中可以看到三种激光雷达的测距精度及探测距离和使⽤范围。脉冲调制 L i D A R 主要⽤于中⻓距范围，精度在 1 ⽶以内；调幅连续波 L i D A R 则主要⽤于中距范围，精度和脉冲调制 L i D A R 差不多；调频连续波 L i D A R 则主要⽤于近距离测量，精度要⾼于其他两种 L i D A R ，在 1 毫⽶以内。从对⽐结果可知，⽤于⽆⼈驾驶系统的激光雷达⼀般会采⽤脉冲调制⽅式进⾏设计。

2019/1/21 临菲信息技术港 https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU0Mzg3MjE3NA==&mid=2247484555&idx=1&sn=8d2d6edb360cf423ddbe43cfe1d220c0&chksm=fb05814… 8/11 图 7 . 1 9 9 0 年以来⼤量学术及⼯业界激光雷达在精度和使⽤范围上的对⽐ [ 2 ] 五、不利天⽓条件下的性能验证⽆⼈驾驶⻋辆不仅需要在天⽓晴朗的⽩天⾏驶，同样需要在具有挑战的天⽓条件下⾏驶。⽂献 [ 3 ] 中测试了两种激光雷达（ I b e o L u x 和 V e l o d y n e P U C K ）和⼤陆 2 4 G H z 雷达（ S R R 2 0 X ）在恶劣天⽓条件下（雾天和⾬天）的性能。雷达在⼏乎所有天⽓条件下都具有良好的性能，但分辨率存在问题，⽽激光雷达具有良好的分辨率和远距离（ > 7 0 ⽶）探测能⼒。但激光雷达的性能受到了不利天⽓的很⼤影响，在测试中，激光雷达对⽬标的检测性能出现了约 5 0 % 的下降。其测试结果如表 1 所示 [ 3 ] ：

资料库

无人驾驶激光雷达LiDAR：最新原理介绍与性能测试.pdf

相关推荐

行业

热门标签

最新资料