LIDAR技术对于自治车辆不可或缺

激光雷达的工作原理

LIDAR测量光脉冲的飞行时间，然后可以确定传感器和物体之间的距离。想象一下，当发射光脉冲时启动秒表，然后在灯脉冲（从遇到的第一个对象反射）返回时停止计时器;通过测量激光的“飞行时间”并了解脉冲的速度，您可以计算距离。光以每秒300,000公里的速度行驶，因此需要非常高精度的设备来产生距离信息。

使用激光作为“棒”来测量距离
为了生成完整的点云，传感器必须能够非常快速地对整个环境进行采样。LiDAR在单个发射器/接收器上使用非常高的采样率，每个发射器每秒发射数万或数十万个激光脉冲。这意味着多达10万个激光脉冲在1秒内完成了从激光单元上的发射机到被测量物体的往返行程，并返回到位于激光雷达上发射机附近的接收器。更大的系统有多达64个这样的发射器/接收器(它被称为一条线)。多线使系统能够每秒产生超过一百万个数据点。
然而，64条固定的线路并不足以绘制整个环境——它只是在一个非常集中的区域提供了一个非常清晰的分辨率。由于光学要求的精度，制造更多的线是非常昂贵的，所以如果线的数量超过64条，继续增加线的数量会增加成本更快。相比之下，许多激光雷达系统使用旋转组件或旋转镜面来围绕环境360度扫描线。

常见的策略包括使单个发射器和接收器向上或向下偏转，以增加激光的视场。例如，Velodyne的64车道激光雷达系统的垂直视角为26.8度(通过旋转，水平视角为360度)。这个激光雷达可以从50米远的地方看到一个12米高的物体的顶部。

对应于LIDAR的不同线路，有不同的锐度频带，这是因为数据传真随着距离减小。虽然它是不完美的，但是更高的分辨率可以用于更近的物体，因为随着到传感器的距离增加，发射器（例如，2度）之间的角度将导致这些点带之间的间距变大。

激光雷达需要克服的问题

1. 反射表面的材料
   由于LIDAR基于测量激光脉冲返回传感器所需的时间，因此如果激光撞击高反射表面，这将导致测量的问题。从微观的角度来看，大多数材料都有粗糙的表面并围绕各个方向散射光;该散射光的一小部分可以始终返回传感器并且足以产生距离数据。但是，如果表面反射率非常高，则光线将远离传感器散射，然后不能检测到该区域中的点云，并且数据将不完整。
2. 空气中的环境
   空气中的环境也会影响激光雷达的读数。大雾和暴雨会减弱激光脉冲，影响激光雷达。为了解决这些问题，高功率激光器已经投入使用，但对于较小的、移动的或功率敏感的应用场景，这不是一个好的解决方案。
3. 旋转期间的数据更新速率
   激光雷达系统面临的另一个挑战是旋转时相对缓慢的更新速度。复杂光学系统的转速限制了系统的更新速率。激光雷达系统的最快旋转速率约为10Hz，这限制了数据更新速率。
   当传感器旋转时，在60英里/小时的车辆上行驶的汽车在1/10秒内行驶8.8英尺，因此传感器可以说传感器无法在车辆通过时发生在8.8英尺内的变化。可识别的。更重要的是，LIDAR（在完美条件下）的覆盖率为100-120米，其等于以60英里/小时在60英里/小时的汽车行驶的驾驶时间的距离。
4. 成本
   也许对于激光雷达来说，高昂的安装成本是它需要克服的最大挑战。虽然自应用以来，该技术的成本已经大大降低，但成本仍然是一个重要的障碍。

从车辆的自动导航到激光雷达

激光雷达的操作方法非常简单。原理与雷达相同。区别在于，激光雷达使用的是光波(红外)，而雷达使用的是电磁波。两者都发射出一系列脉冲光波或电磁波。当波向前传播时，它们遇到物体时会反射。当接收到反射波脉冲并计算飞行时间时，可以测量彼此之间的距离。这个过程是非常简单的数学计算，不涉及算法和人工智能。由于光波具有较短的波长，所以对前面的物体可以有准确的分辨率和测量结果。然而，由于雷达波长太长，很难分辨前方的物体是行人还是电线杆。

LIDAR已经在应用于自动导航之前用于其他领域。例如，在考古学领域，研究人员使用了激光器和空中摄像头在柬埔寨的吴哥窟探索了更大的古老城市废墟。此外，LIDAR也应用于风力涡轮机以测量风的速度和方向以调节最佳的迎风角度。

激光雷达技术广泛推广的障碍是其高昂的价格。激光雷达技术主要是利用一长串高功率半导体激光器，进行360度旋转扫描，获得全范围的3D图像，无论是光学系统。或者机械旋转是昂贵的。近年来，为了推广和降低成本，Lidar在设计上逐渐放弃了360度，取而代之的是小于180度和更短的探测距离，从而可以使用面发射激光器(VCSEL)和数字光处理器(s)。DLP)或使用衍射光学表面来产生激光阵列将在成本结构上具有竞争力。

在未来，当自动导航越来越普遍的时候，如果LiDAR的红外激光信号无处不在，也会引起人们对健康和安全的担忧。因此，激光雷达传感需要降低激光光强，也就是说，有必要降低激光光强。在其上安装了高灵敏度的光电探测器。

一般的光传感器工作在元件反向偏置电压的小暗电流区域。一旦有光信号进入，电流就会增强，但至少成千上万的光子可以产生显著的光电流。单光子光传感器故意操作反向偏置电压崩溃区的组件。如果一个光子进入，它将引起一个实质性的坍缩，并且它可以在坍缩后立即恢复。所以，如果你计算组件的碰撞次数，你就知道有多少光子被收集，所以灵敏度一次增加了几个数量级。

19、科学技术的发明往往在开始时就不清楚其适当的应用场景。就像一个单光子光传感器，它甚至会被评论为“寻找问题的解决方案”，但一旦时机到了，它就必须站出来。未来，自动驾驶汽车将实现5级全自动驾驶。无论是立体相机镜头，激光雷达，雷达，还是超声波，汽车制造商必须有能力将这些不同的检测系统完全融合，因为没有单一的检测系统。该测量系统可提供不同天气、不同距离、不同精度的完整数据。