引用本文

武曉宇,張曉,王偉忠.智能網(wǎng)聯(lián)汽車激光雷達(dá)工作原理、性能比較與安全性分析[J].信息安全與通信保密,2020(9):92-98.

摘要

近年來(lái)，激光雷達(dá)被用于導(dǎo)航領(lǐng)域，如機(jī)器人、無(wú)人機(jī)和智能車的自動(dòng)駕駛（包括輔助駕駛等不同級(jí)別）。市場(chǎng)上激光雷達(dá)的種類多樣，測(cè)量原理和工作特性差異較大，通過(guò)對(duì)車載激光雷達(dá)各種測(cè)量原理和技術(shù)特性進(jìn)行梳理比較，并對(duì)每種方案進(jìn)行相應(yīng)的分析評(píng)價(jià)，同時(shí)分析了其安全性，為激光雷達(dá)選型應(yīng)用提供指導(dǎo)意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞

激光雷達(dá)；工作原理；傳感器性能；智能網(wǎng)聯(lián)汽車；安全性分析

內(nèi)容目錄

0 引言

1 激光雷達(dá)的分類

2 激光雷達(dá)的測(cè)量原理

2.1 飛行時(shí)間法

2.2 連續(xù)波強(qiáng)度調(diào)制法（相位測(cè)距）

2.3 連續(xù)波頻率調(diào)制法

3 激光雷達(dá)關(guān)鍵部件選型及性能分析

3.1 光源

3.2 掃描部件

3.2.1機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)

3.2.2微機(jī)電系統(tǒng)激光雷達(dá)

3.2.3快閃激光雷達(dá)

3.2.4光學(xué)相控陣激光雷達(dá)

3.3探測(cè)器

4 激光雷達(dá)安全性分析

5 結(jié)語(yǔ)

0 引言

激光雷達(dá)是一種可以用于精確測(cè)量周圍環(huán)境的三維位置信息的傳感器。一般由光學(xué)發(fā)射部件、光電接收部件、運(yùn)動(dòng)部件和信號(hào)處理模塊等組成。其工作原理是向指定區(qū)域發(fā)射探測(cè)信號(hào)（激光束），經(jīng)過(guò)目標(biāo)物反射后，收集反射回來(lái)的信號(hào)，與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行處理比較，即可獲得待測(cè)區(qū)域環(huán)境和目標(biāo)物體的有關(guān)空間信息，如目標(biāo)距離、方位角、尺寸、移動(dòng)速度等參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)特定區(qū)域的環(huán)境和目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、追蹤和識(shí)別。

相比于攝像頭、毫米波雷達(dá)等其他類型傳感器，激光雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)3D成像，獲取精確的位置信息。激光雷達(dá)主動(dòng)光學(xué)部件夜間仍可工作。激光雷達(dá)也有局限，如在雨雪、霧霾天氣會(huì)影響測(cè)量精度，用于自動(dòng)駕駛難以分辨交通標(biāo)志和紅綠燈顏色，此外，成本高也是限制其大規(guī)模商業(yè)化的一個(gè)限制因素。

1 激光雷達(dá)的分類

習(xí)慣上，激光雷達(dá)可以按照測(cè)量原理或者是否含有運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行分類，如圖1所示。按照測(cè)量原理分類，可以分為飛行時(shí)間法和外差干涉方法，飛行時(shí)間法又可以分為脈沖調(diào)制和強(qiáng)度調(diào)制兩種方式。如果按照激光雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)部件特性來(lái)分類，可以分為機(jī)械旋轉(zhuǎn)式、混合固態(tài)以及固態(tài)。機(jī)械旋轉(zhuǎn)式和混合固態(tài)激光雷達(dá)已經(jīng)較為普及，固態(tài)激光雷達(dá)作為新興方向也越來(lái)越多地受到市場(chǎng)關(guān)注。

圖1   激光雷達(dá)的分類

2 激光雷達(dá)的測(cè)量原理

2.1 飛行時(shí)間法

飛行時(shí)間法（Time of flight, ToF）的原理如圖2所示，激光器連續(xù)發(fā)射光脈沖，經(jīng)過(guò)障礙物反射后，用探測(cè)器收集反射光，通過(guò)探測(cè)光脈沖的飛行（往返）時(shí)間來(lái)得到目標(biāo)物距離。利用ToF測(cè)距法有一點(diǎn)需要特別注意，就是發(fā)射激光器和光電接受器必須始終保持時(shí)間同步。

圖2   飛行時(shí)間法（ToF）測(cè)距

2.2 連續(xù)波強(qiáng)度調(diào)制法（相位測(cè)距）

圖3   相位測(cè)距法

與2.1節(jié)中ToF利用飛行時(shí)間差來(lái)測(cè)距不同，相位測(cè)距是通過(guò)測(cè)量相位差來(lái)計(jì)算距離，如圖3所示。前面提到，由于光速太快，想要精確測(cè)量Δt是一件非常困難的事。通過(guò)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，去檢測(cè)調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)待測(cè)物體的反射后的相位變化，進(jìn)而得到待測(cè)物的距離d，降低了測(cè)量難度。

式（4）中?φ是探測(cè)信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的相位差，f為調(diào)制頻率。調(diào)制頻率決定了測(cè)距范圍和精度。調(diào)制頻率越高，測(cè)量精度越高，測(cè)量范圍越小。100m距離測(cè)量一般調(diào)制頻率選在MHz量級(jí)。

2.3 連續(xù)波頻率調(diào)制法

連續(xù)波頻率調(diào)制法（Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW）使用三角波進(jìn)行調(diào)制，利用相干光學(xué)檢測(cè)方法，在頻域進(jìn)行信號(hào)的探測(cè)處理。該方法具有很多優(yōu)勢(shì)，如對(duì)背景光噪聲不敏感，不需要復(fù)雜的高頻電子檢測(cè)部件等，此方法越來(lái)越受到行業(yè)的重視。

如圖4所示，激光經(jīng)過(guò)三角波調(diào)制后，調(diào)制頻率分為兩個(gè)光路，一路照射在被測(cè)物體上，經(jīng)過(guò)反射回到探測(cè)器，記作；另一路直接送到探測(cè)器，記作。兩束光在探測(cè)器產(chǎn)生干涉，利用探測(cè)器接收干涉后的信號(hào)。

根據(jù)光學(xué)相干理論，探測(cè)器位置處的干涉信號(hào)為：

將檢測(cè)到的干涉信號(hào)進(jìn)行高通濾波，保留交流信號(hào)，通過(guò)測(cè)量交流信號(hào)的振幅和頻率可以得到兩束光的頻率差。由于調(diào)制頻率在一個(gè)周期內(nèi)是線性變化的，根據(jù)?f可得飛行時(shí)間?t，進(jìn)而得到傳輸距離d。

圖4   連續(xù)波頻率調(diào)制法測(cè)距

3 激光雷達(dá)關(guān)鍵部件選型及性能分析

激光雷達(dá)的關(guān)鍵部件包含光源、掃描部件、探測(cè)器三大部分。每個(gè)部件的選型都需要遵從一些指導(dǎo)原則，如圖5所示。本節(jié)將對(duì)各部件選型依據(jù)進(jìn)行剖析。

圖5   激光雷達(dá)系統(tǒng)主要部件選型依據(jù)

3.1 光源

光源的選擇主要考慮以下幾個(gè)因素：首先，光源需要具有很好的單色性并且單脈沖下具有較高的能量峰值，這樣反射的信號(hào)更容易被探測(cè)到，有利于增加探測(cè)準(zhǔn)確性。其次，車載激光雷達(dá)在日常使用中，需要保證對(duì)人眼的安全性，所以要盡量避開(kāi)400-700nm的可見(jiàn)光波段。就是要考慮激光器的制造成本和光波的吸收問(wèn)題，如圖6所示是紅外在水中的吸收光譜，橫坐標(biāo)是紅外波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)是水的吸收因子。結(jié)合近紅外波段的激光器制造技術(shù)成熟度和成本因素，當(dāng)前市場(chǎng)上激光雷達(dá)產(chǎn)品主要是采用1550nm和905nm兩個(gè)波長(zhǎng)。兩種紅外光源的選型比較如表1所示。如Velodyne、速騰聚創(chuàng)、禾賽大部分都是采用905nm波長(zhǎng)，此外也有部分企業(yè)使用1550nm波長(zhǎng)作為光源。

圖 6   水的紅外吸收光譜

3.2 掃描部件

3.2.1 機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)

機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)技術(shù)成熟度較高，出現(xiàn)時(shí)間也相對(duì)較早。但機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)包含高精度旋轉(zhuǎn)部件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，導(dǎo)致價(jià)格也較為昂貴。由于硬件成本高，旋轉(zhuǎn)部件和激光束的安裝調(diào)校不容易自動(dòng)化和規(guī)模化，導(dǎo)致量產(chǎn)困難，雷達(dá)的使用壽命也有待提升，所以目前固態(tài)激光雷達(dá)成為很多公司的發(fā)展方向。

圖7   機(jī)械激光雷達(dá)工作示意圖

機(jī)械激光雷達(dá)的測(cè)量效果取決于激光的線數(shù)。以32線激光雷達(dá)為例，如圖7所示，在一個(gè)豎直面內(nèi)，不同角度分布著32個(gè)發(fā)射光束。掃描時(shí)，豎直面內(nèi)的激光束順序點(diǎn)亮，同時(shí)測(cè)量該光束對(duì)應(yīng)的反射信號(hào)。當(dāng)完成一個(gè)豎直面內(nèi)的32路光信號(hào)的檢測(cè)后，激光雷達(dá)在水平面旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，在新的豎直面內(nèi)再次完成32路反射光的測(cè)量。這樣水平旋轉(zhuǎn)一周后，就得到了激光雷達(dá)在3D空間內(nèi)的點(diǎn)云分布。

3.2.2 微機(jī)電系統(tǒng)激光雷達(dá)

基于微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS），激光雷達(dá)的光學(xué)系統(tǒng)通過(guò)很小的反射鏡微轉(zhuǎn)動(dòng)就能將激光束反射向不同方向。由于反射鏡很小，而且需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度也很小，通過(guò)微能源驅(qū)動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)鏡片和反射光束的快速移動(dòng)，在極短的時(shí)間內(nèi)完成一條線或者一個(gè)陣列的掃描。

MEMS激光雷達(dá)的一大優(yōu)勢(shì)是去掉了傳統(tǒng)機(jī)械雷達(dá)的旋轉(zhuǎn)部件，可以有效減少旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的部件損耗，延長(zhǎng)激光雷達(dá)的工作壽命。振鏡的驅(qū)動(dòng)可以使用電驅(qū)動(dòng)或者磁驅(qū)動(dòng)的方式，如圖8所示，結(jié)合電驅(qū)動(dòng)和磁驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)鏡片下方兩個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)維度上的2D掃描。

3.2.3 快閃激光雷達(dá)

快閃（Flash）激光雷達(dá)與攝像頭工作模式相似，激光束會(huì)直接向各個(gè)方向漫射，漫射的激光束照射到目標(biāo)區(qū)域的障礙物上反射，再利用感光元件陣列采集反射回來(lái)的激光束。Flash激光雷達(dá)的一大優(yōu)勢(shì)是它能快速記錄整個(gè)場(chǎng)景，避免了掃描過(guò)程中目標(biāo)或激光雷達(dá)移動(dòng)帶來(lái)的測(cè)量誤差。不過(guò)，這種方式也有它的缺陷：感光元件陣列的像素越大，要處理的信號(hào)數(shù)據(jù)就越多，對(duì)處理期間提出了很高的要求。同時(shí)，由于激光束是同時(shí)向多個(gè)方向漫射，導(dǎo)致能量分散，F(xiàn)lash激光雷達(dá)的探測(cè)距離通常比較小。

Flash激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是全固態(tài)方案，沒(méi)有移動(dòng)部件，發(fā)射端方案成熟，成本較低，容易過(guò)車規(guī)。缺點(diǎn)是采用單脈沖測(cè)量，單脈沖需要較高的能量，峰值功率較高，閃光能量可能傷害人眼。

3.2.4 光學(xué)相控陣激光雷達(dá)

與微波相控陣?yán)走_(dá)原理類似，光學(xué)相控陣（Optical Phase Array，OPA）固態(tài)雷達(dá)原理是通過(guò)調(diào)控初始相位，讓多束光干涉疊加，如圖9所示。有的方向光場(chǎng)彼此增強(qiáng)，有的方向光場(chǎng)相互抵消。采用多個(gè)光源組成陣列，通過(guò)控制各光源發(fā)射的時(shí)間差，可以合成角度靈活、精密可控的主光束。

圖9   OPA 光學(xué)相控陣?yán)走_(dá)原理

OPA激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有任何機(jī)械部件，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，精度高，體積小，成本低。缺點(diǎn)是在主光束以外會(huì)形成“旁瓣”，產(chǎn)生能量分散，一般陣列單元尺寸小于500nm，對(duì)加工精度要求高，掃描角度有限，接收端方案薄弱，接收面大，信噪比差。

如表2所示是幾種激光雷達(dá)在測(cè)量范圍、可靠性、成本、尺寸幾個(gè)維度的對(duì)比。

3.3 探測(cè)器

探測(cè)器選擇主要考慮以下因素：高靈敏度、高增益、低抖動(dòng)、低電子噪聲。探測(cè)器的抖動(dòng)會(huì)直接影響距離測(cè)量精度。由于激光束打在遠(yuǎn)處物體后經(jīng)過(guò)漫反射回到探測(cè)器的信號(hào)非常弱，通常選擇靈敏度較高的雪崩管探測(cè)器或光電倍增管作為激光雷達(dá)的探測(cè)器。

4 激光雷達(dá)安全性分析

當(dāng)前，隨著互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)融合進(jìn)程的加快，全球車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入高速發(fā)展階段。據(jù)估計(jì)，智能網(wǎng)聯(lián)汽車將從2018年起迎來(lái)20年左右的高速發(fā)展期。到2035年，智能網(wǎng)聯(lián)汽車將占據(jù)25%的新車市場(chǎng)，年銷量超過(guò)3000萬(wàn)輛。車載激光雷達(dá)作為智能網(wǎng)聯(lián)汽車的傳感器部件之一，有著難以取代的地位。

然而，車載激光雷達(dá)卻暴露出一定的安全隱患。2019年7月，來(lái)自密歇根大學(xué)、百度研究院以及伊利諾伊大學(xué)香檳分校的研究人員提出了一種基于梯度的LiDAR-Adv方法生成對(duì)抗樣本，可以干擾激光雷達(dá)點(diǎn)云，實(shí)現(xiàn)“欺騙”激光雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)的對(duì)抗方法。如圖10所示，基于激光雷達(dá)的檢測(cè)系統(tǒng)可以檢測(cè)到普通的箱子，卻無(wú)法識(shí)別LiDAR-Adv生成的對(duì)抗樣本。

圖10   LiDAR-Adv概覽

該研究披露了激光雷達(dá)自動(dòng)駕駛檢測(cè)系統(tǒng)的潛在漏洞，為基于激光雷達(dá)的自動(dòng)駕駛方案埋下了安全隱患，如何提高識(shí)別的準(zhǔn)確性仍是智能網(wǎng)聯(lián)汽車激光雷達(dá)面臨的重要挑戰(zhàn)之一。

5   結(jié)語(yǔ)

整體而言，當(dāng)今車載激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)化普及面臨的兩大瓶頸是高成本和通過(guò)車規(guī)級(jí)檢驗(yàn)。成本限制了商用普及速度，而車規(guī)的嚴(yán)苛條件對(duì)激光雷達(dá)本身的光學(xué)精密性也提出了挑戰(zhàn)。目前市場(chǎng)上各種類型的激光雷達(dá)百花齊放，尚沒(méi)有一種技術(shù)方案能壟斷市場(chǎng)。OPA技術(shù)是大家認(rèn)可的未來(lái)趨勢(shì)，但是現(xiàn)階段技術(shù)瓶頸較***部分處于預(yù)研究階段。2020年的CES大會(huì)上，多家企業(yè)宣布了固態(tài)激光雷達(dá)方案，市場(chǎng)價(jià)格也較2019年有了很大幅的下降。預(yù)計(jì)固態(tài)激光雷達(dá)在接下來(lái)的幾年中將扮演越來(lái)越重要的角色，而其安全性也將成為備受關(guān)注的焦點(diǎn)之一。

文章轉(zhuǎn)載： 信息安全與通信保密雜志社