2.3 雷達傳感器

2.3.1 激光雷達

激光雷達（Light Detection And Ranging，LiDAR）是在激光測距儀的基礎上發展起來的主動成像雷達技術。激光測距原理如圖2-2所示，激光器通過發射和接收激光束，分析激光遇到目標對象后的往返時間，計算出激光器與目標對象的相對距離，并利用在此過程中收集到的目標對象表面大量密集點的三維坐標、反射率和紋理等信息，快速得到被測目標的三維模型，以及線、面、體等各種相關數據，建立三維點云（Point Cloud）圖，繪制三維環境地圖，從而達到環境感知的目的。由于光速非常快，激光束往返時間可能非常短，因此要求測量設備具備非常高的精度。從效果上講，激光雷達線束（維度）越多，測量精度越高，安全性也就越高。

激光雷達可以按照探測體系、應用方向、線束、基于機械/電子部件進行分類，激光雷達分類圖如圖2-3所示。

相比于可見光、紅外線等傳統被動成像技術，激光雷達一方面顛覆了傳統的二維投影成像模式，通過采集目標表面深度信息得到目標相對完整的空間信息，經數據處理重構目標三維表面，獲得更能反映目標幾何外形的三維圖形，同時還能獲取目標表面反射特性、運動速度等豐富的特征信息，為目標探測、識別、跟蹤等數據處理提供充分的信息支持、降低算法難度；另一方面，主動激光技術的應用，使得其具有測量分辨率高，抗干擾能力強、抗隱身能力強、穿透能力強和全天候工作等特點。

激光雷達已經被廣泛認為是實現智能駕駛的必要傳感器。相比于其他類型的智能駕駛傳感器而言，激光雷達探測的距離更遠、精度更高。例如，相比攝像頭，激光雷達由于是主動發射光束的，所以不容易受周圍環境（如弱光、小雨雪及煙塵）的影響。此外，在處理攝像頭收集圖像時對計算機的計算能力有更高的要求，而激光雷達產生的三維點云則相對更容易被計算機解析。相比毫米波雷達，激光雷達的分辨率更高，且毫米波雷達也不適用于行人檢測和目標識別等工作。在智能駕駛領域，激光雷達與其他傳感器相互融合、互為補充，可以有效提高車輛對于周圍環境感知的準確度。

通過測量能量脈沖從智能駕駛汽車發射到目標再返回車輛的往返飛行時間（ToF）來測距是激光雷達測距的一種基本手段。已知能量脈沖在空氣中傳輸的速度，就可以計算出發射點距反射點的距離。能量脈沖可以是超聲波（聲吶）、無線電波（雷達）或光波（激光雷達），在這三種ToF技術中，激光雷達是提供高角度分辨率圖像的最佳選擇，因為它具有更小的衍射特性和光束發散度，可以比微波雷達更好地識別相鄰物體。這種高角度分辨率在車輛高速行駛時尤為重要，可以提供足夠的時間來應對潛在的危險，如迎面碰撞的危險。在理想狀態下，激光雷達的多線束激光從坐標系原點射出，且每束激光的起始位置都為坐標系原點。但在實際應用中，由于激光雷達安裝位置不統一，會導致最終獲得的光束不在同一個平面中，這會使激光雷達對障礙物的檢測出現偏差。因此，對于每個激光雷達都應該配備一組校準標定參數來對其進行修正。

2.3.2 毫米波雷達

毫米波雷達工作在毫米波波段，其頻域介于20～300GHz之間。毫米波的波長為1～10mm，介于厘米波和光波之間，因此毫米波兼具微波制導和光電制導的優點。與厘米波導引頭相比，毫米波導引頭具有體積小、質量輕和空間分辨率高的特點。與紅外、激光等光學導引頭相比，毫米波導引頭穿透霧、煙、灰塵的能力更強。

根據測距原理的不同，毫米波雷達可以分為脈沖測距雷達和調頻連續波測距雷達兩種。脈沖測距雷達的基本原理與激光雷達類似，通過測量發射脈沖信號與目標反射波之間的時間差，結合從發射脈沖信號到接收脈沖信號之間的時間差來計算雷達與探測物體之間的距離。脈沖測距雷達與激光雷達的不同之處在于脈沖測距雷達采用波長更長的毫米波波段，可以提高穿透空氣中微小干擾物體的能力。脈沖測距雷達雖然測量原理簡單，但受技術、元器件等方面的影響，硬件結構比較復雜，成本高、價格昂貴，故其在車載傳感器領域的應用很少。

目前，大多數車載毫米波雷達都采用調頻連續波測距雷達。調頻連續波測距雷達結構簡單、體積小，可以同時得到被測目標的相對距離和相對速度。它的基本原理是：當發射的連續調頻信號遇到前方被測目標時，會產生與發射信號有一定時延的回波，再通過雷達的混頻器進行混頻處理，混頻后的結果與被測目標的相對距離和相對速度有關。

車載毫米波雷達的頻段主要集中在24GHz和77GHz這兩個頻段。圖2-4所示為美國德爾福公司開發的ESR毫米波雷達的測距范圍，該毫米波雷達同時具備中距離掃描和遠距離掃描的功能，采用連續調制方式，應用多普勒測試原理，可掃描到最遠范圍174m以內的64個目標，同時能提供每個目標的相對距離、角度和速度等信息。它從CAN總線獲取所需的車速、橫擺角速度、轉向盤轉角等本車信息，掃描后將被測目標的信息，如距離、相對速度等，通過CAN總線傳遞給車載計算機。

毫米波雷達的優點在于其性價比高，探測距離遠，精度較高，穿透霧、灰塵的能力強，能夠全天候、全天時工作，其在當前很多高端轎車里都有應用；缺點是行人的反射波容易被其他物體的反射波埋沒，難以分辨，無法識別行人。例如，采用毫米波雷達和攝像頭的感知系統實現自動駕駛的特斯拉，當其在行人較多的鬧市區行駛時，會自動鎖定自動駕駛功能。因此，毫米波雷達在測距領域具有較高的性價比，但是無法準確探測行人是它的一個致命的弱點，導致其只能被應用于自適應巡航系統等ADAS系統。過去毫米波雷達市場一直由國外廠商壟斷，近些年國內主要的汽車零部件供應商正在致力于車載毫米波雷達的國產化。

2.3.3 超聲波雷達

超聲波指工作頻率在20 kHz以上的機械波，它具有穿透性強、衰減小、反射能力強等特點。超聲波傳感器的測距工作原理如圖2-5所示，該原理通過測量超聲波啟動脈沖與回波時間脈沖的時間差，再結合超聲波在空氣中傳輸的速度來計算距離。

超聲波雷達有以下幾個特點：第一，測距原理簡單、成本低，制作方便，且對雨、雪、霧的穿透性較強，可以在惡劣天氣下工作；第二，超聲波對光照和色彩信息不敏感，可用于識別透明及漫反射性差的物體；第三，超聲波對外界電磁場不敏感，可用于有電磁干擾的環境中。但是，超聲波測距的速度和激光測距、毫米波雷達測距的速度無法相比，且超聲波具有一定的擴散角，只能測出距離，不能測出方位。

超聲波雷達的優點在于探測物體范圍極廣，能夠探測絕大部分物體，且具有較高的穩定性；其缺點是一般只能探測10m以內的距離，無法進行遠距離探測。因此，目前國內外市場上的超聲波雷達被廣泛應用于倒車雷達系統，其在智能駕駛領域也常常作為短距離雷達，被應用于自動泊車輔助系統中。