华为激光雷达工作原理

最近华为的自动驾驶系统在网上刷屏了，该自动驾驶系统着实让国人眼前一亮，让华为在国人心中的地位得到了进一步提升。那华为这套自动驾驶系统与特斯拉和其他自主品牌自动驾驶系统最大的区别在哪呢?从视频中搭载华为自动驾驶系统的车辆的前脸上，有三个显眼的雷达" target="_blank">激光雷达，今天小编就给大家介绍一下激光雷达的一些知识。

激光雷达的定义

激光雷达是工作在光频波段的雷达，它利用光频波段的电磁波先向目标发射探测信号，然后将其接收到的同波信号与发射信号相比较，从而获得目标的位置(距离、方位和高度)、运动状态(速度、姿态)等信息，实现对目标的探测、跟踪和识别。

激光雷达的分类

激光雷达根据安装位置的不同可分为两大类：一类安装在无人驾驶汽车的四周，另一类安装在无人驾驶汽车的车顶。

安装在无人驾驶汽车四周的激光雷达，其激光线束一般小于8线，常见的有单线激光雷达和四线激光雷达;安装在无人驾驶汽车车顶的激光雷达，其激光线束一般不小于16线，常见的有16线/32线/64线激光雷达。车载激光雷达普遍采用多个激光发射器和接收器，建立三维点云图，从而达到实时环境感知的目的。

激光雷达的特点

分辨率高　激光雷达可以获得极高的角度、距离和速度分辨率。通常激光雷达的角分辨率不低于0.1mard，也就是说可以分辨3km距离上相距0.3m的两个目标，并可同时跟踪多个目标;距离分辨率可达0.1m;速度分辨率能达到10m/s以内。

探测范围广　探测距离可达300m左右。

信息量丰富　可直接获取探测目标的距离、角度、反射强度、速度等信息，生成目标多维度图像。

全天候工作　激光主动探测，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;但容易受到大气条件以及工作环境烟尘的影响，且不具备摄像头能识别交通标志的功能。

激光雷达系统的组成

智能网联汽车激光雷达系统由收发天线、收发前端、信号处理模块、汽车控制装置和报警模块组成。

收发天线　收发天线可安装于车辆保险杠内，向车辆前方发出发射信号，并接收反射信号。

收发前端　收发前端是雷达系统的核心部件，负责信号调制、射频信号的发射接收及接收信号解调。

信号处理模块　信号处理模块自动分析、计算出与前方车辆的距离和相对速度，并且防止转弯时错误测量临近车道车辆的情况发生。

汽车控制装置　汽车控制装置是控制汽车的自动操作系统，达到自动减速慢速行车，或紧急刹车。通过限制发动机输出转矩、调节制动力及变速器挡位，控制汽车行驶速度。

报警模块　根据设定的安全车距和报警距离，以适当方式给驾驶员报警，保障汽车安全行驶。

激光雷达的测距原理

激光雷达测距的基本原理是通过测算激光发射信号与激光回波信号的往返时间，从而计算出目标的距离。首先，激光雷达发出激光束，激光束碰到障碍物后被反射回来，被激光接收系统进行接收和处理，从而得知激光从发射至被反射回来并接收之间的时间，即激光的飞行时间，根据飞行时间，可以计算出障碍物的距离。根据所发射激光信号的不同形式，激光测距方式可分为脉冲法激光测距和相位法激光测距两大类。

脉冲法激光测距　脉冲法是通过激光雷达的发射器发出脉冲激光照射到障碍物后会有部分激光反射回来，由激光雷达的接收器接收。同时激光雷达内部可以记录发射和接收的飞行时间间隔，根据光速可以计算出要测量的距离。

激光雷达和咱们都熟悉的倒车雷达，物理原理是相通的。都是通过电磁波发射、反射，然后计算时间差得到环境和障碍物的距离信息。

汽车品牌之所以拼了命的撩拨激光雷达，是因为这东西正好弥补了摄像头和毫米波雷达的缺点，激光雷达的探测距离更远，受环境变化的影响较小，而且精度较高，甚至能通过发射出去的电磁波描绘出周围环境的3D图像。不过，激光雷达从概念到装车，可不是一帆风顺的。

从大蘑菇到豆腐块

普罗大众对于激光雷达的初认知，最早始于谷歌这台用于自动驾驶开发的小萌车，头顶上的“大蘑菇”便是激光雷达的一种——机械式激光雷达。它的工作原理就跟我们看潜水艇、战舰上的雷达扫描器一样，通过快速的旋转，实时扫描周围3 60°的环境信息。所以机械旋转式激光雷达的优点就很明显了：视野非常广!

但是，谁愿意将来自己的车顶着个大蘑菇呢?太难看了吧!不仅如此，旋转扫描的激光雷达涉及到机械结构之间的相互运动，一定程度上也影响了激光雷达的可靠性和使用寿命。因此，我们对量产车激光雷达的诉求就诞生了：

1、缩小体积，别太显眼，否则影响车辆美观度;

2、降低机械结构的参与，拓展使用环境和耐用性。

小时候咱们在课堂上，有没有拿小镜片晃过老师?众所周知，电磁波是可以反射的，那我可不可以固定住发射源，不让它转，而是让电磁波在发射路径上“旋转跳跃”呢?于是，混合式激光雷达走进了汽车厂商心中。混合式激光雷达内部有一块MEMS振镜，在驱动电路的带动下，MEMS振镜产生高频旋摆，而激光源是固定不动的，打在振镜上的电磁波就会在振镜的转动下，快速扫描镜头前方的环境。

说白了，混合式激光雷达的激光源就好比是太阳，MEMS振镜就是你手中的小镜片，黑板和老师就是被测物体，你用手(伺服电机)疯狂地带动小镜片，在老师和黑板间打出移动的光斑，全班同学(接收器)在欢笑声中目送你罚站……这就是混合式激光雷达的工作过程。

不难看出，混合式激光雷达避免了大规模的机械旋转，体积可以做得更小，也在一定程度上提高了可靠性。我们来看一款成品，2017年奥迪推出新一代A8，这也是混合式激光雷达首次搭载到量产车上面，布置于牌照区下方。从外面我们看不到激光雷达的旋转动作，但它可以提供145°的水平视角，80米的有效探测距离。

混合式激光雷达，里面还是有个伺服电机，能否进一步减少机械运动呢?可以!全固态激光雷达，其中“固态”指的就是内部结构全部固定，彻底不存在机械运动。目前，实现全固态有两种途径，一种是光学相控阵(OPA)，一种是闪光(Flash)。

咱们先说相控阵，如果您是军迷，想必对相控阵应该不会太陌生。既然机械结构不动，我就让电磁波自身发生变化!水波和光的双缝实验，物理课上都讲过吧，简单说就是利用波的干涉特性，经过缝隙后会在某个方向加强，其他方向减弱。相控阵激光雷达也是利用这个基础原理，做了很多导管并排成阵列，激光光源经过导管阵列后会发生多缝干涉，产生定向增强的波束。此时我们再去调节激光光源的波长或相位，就能获得激光扫描的效果。

而Flash激光雷达的原理，更像我们再熟悉不过的相机。它是直接用激光光源在传感器上打出一个平面，照射到物体后再反射回来，记录每个像素点的飞行时间并算出物体的距离甚至形状。因此， Flash激光雷达也被称为“面阵方案”，大家甚至可以把它简单理解成“激光3D相机”。

不过，相控阵和Flash在汽车领域的应用潜力还有待开发，毕竟汽车的工作环境复杂、恶劣，对探测距离也有较高要求。OPA和Flash要达到2 00米以上的有效探测距离，同时控制住成本，还需要一步步的努力。

安全性需要担心吗?

很多人谈“激光”色变，是因为激光在我们印象中常常伴随着武器一起出现。事实上，激光也是电磁波的一种，而它的频率高于可见光范畴，再加上激光切割、激光近视手术等名词，这些都进一步加深了人们对激光的恐惧心理。

抛开剂量谈毒性，都是耍流氓。事实上，车载激光雷达的安全性完全无需担心。以国际电工委员会ICE对激光设备安全等级的划分来看，Class1级要求“无生物性危害，不必特别管理”，符合这个等级的消费品有激光教鞭、DVD播放机等等。同时，激光雷达的波长一般不低于850nm，也是为了避开可见光波段。市面上的车载激光雷达主要有两种波长，分别是905nm和1550nm，小鹏P5属于前者，蔚来ET7属于后者。综合波长、输出功率、辐照时间等因素，车载激光雷达的安全等级要求也是Class1，目前来看还没有敢在量产车上对人眼安全提出挑战的厂商。

换句话说，现阶段我们见到的这些激光雷达车型，都是安全的。再去比较的话，1550nm的波长会在电磁波到达视网膜之前就被晶状体完全吸收掉，更是谈不上对视力有什么伤害。也正是这个因素，蔚来ET7的激光雷达允许采用更高的功率，从而获得更远的探测距离。这就涉及到接下来咱们要聊的——激光雷达的性能指标了。