自动驾驶汽车在行驶过程中需要密切注意其周围环境中一切静止或移动的事物。下一代激光雷达在实现全面视野中将发挥重要作用。

新兴的自动驾驶汽车将激光雷达发出的光线与其他传感器传输的数据结合以构建周围环境的图像。图片来源：德国大陆汽车公司。

目前，自动驾驶汽车领域是价值几十亿美元的热门行业，这是一种能够为人类出行方式带来划时代改变的新兴领域。自动驾驶汽车的应用范围除了日常使用外，还可以扩大到老年人和残疾人的交通方式选择，以及通过对司机进行指导，解决商务旅行中对目的地不熟悉的问题。而其最重要的应用在于通过控制司机的行为，如超速驾驶、酒驾或驾驶过程中发出提醒，以此减少交通事故的发生。

自动驾驶技术的实现需要利用人工智能处理和整合一系列传感器的数据，其中包括相机、微波雷达、超声波传感器以及激光雷达（Lidar）。每一种传感器都有其优点和缺点：超声波能很好地感应附近的物体，但是探测距离太短。相机能够显示附近真实的环境，但无法测量距离。微波雷达能够测量距离和速度，但分辨率有限。激光雷达能够进行精确定位距离并建立起当地环境的点云数据，但目前测量范围有限，并且价格昂贵。扩大激光雷达的探测范围，以及降低制造成本，已经成为了自动驾驶技术目前面临的最关键挑战。

长期愿景

自动驾驶技术的想法并非一种全新的概念。在1939年的纽约世界博览会上，通用汽车公司旗下的飞利浦电动车在纽约的城市街道上展示了由无线电控制的电动车。1958年，通用汽车公司和美国无线电公司在内布拉斯加州高速公路上测试了一辆无线电控制汽车，其中嵌入了检测电路。但是当时的技术无法真正实现自动驾驶。

美国**部高级研究计划局（DARPA）在2005年开展的自动驾驶车辆“大挑战”，以及2007年的“城市挑战”，使得自动驾驶技术看起来触手可及。这刺激了众多科技公司的加入，尤其是在2009年启动了自动驾驶计划的谷歌公司。通用、福特和丰田等大型传统汽车制造商，也紧随其后制定了大型计划。

但是“自动驾驶”究竟意味着什么呢？美国汽车工程师协会（SAE）定义了五个自动化驾驶级别，除了完全手动控制（0级）之外。这些范围从1级（“feet off”）自动驾驶，以巡航控制为代表；到二级（“hands off”），如特斯拉的“自动驾驶”系统，假设司机能够立即接手控制，一直到4级（“mind off”），可以在需要时停止并交还控制权，而完全自动化的5级车辆则完全不需要驾驶员。4级和5级是自动驾驶车辆发展的重要阶段，也是最难达到的目标。

美国汽车工程师协会对自动驾驶汽车划分了五个自动化驾驶级别。

一整套传感器

美国汽车工程师协会划分的五个自动驾驶级别之间的差异过于学术化。事实上，2016年5月7日，一辆特斯拉Model S装备了公司的自动驾驶仪和巡航控制系统，以每小时74英里的速度行驶，却撞上了佛罗里达州一条高速公路上的拖拉机拖车。由于司机和自动驾驶车辆均没有发现卡车在车道上左转，没有及时刹车，因此发生了事故。

理论上，特斯拉的前视摄像头和微波雷达都应该在200米外发现了卡车，足以让自动驾驶仪安全地刹车。但是分析认为，雷达可能无视了卡车，因为卡车拖车高度过高，被误认为是高架桥。而用于加速图像处理的单色相机可能没有辨别出普通的白色卡车和明亮的蓝色天空之间的区别。

上图：Luminar公司联合创始人Austin Russell在搭载激光雷达的车上。下图：Luminar激光雷达记录周围的点云图像，图像的颜色代表与观察对象的距离。图片来源：Luminar公司。

美国国家运输安全委员会的结论是，“自动驾驶仪”这一名称可能具有误导性，其设计目的并不在于识别横穿道路的卡车。“它是为了监视同向行驶的车辆，而不是横穿道路的汽车的路径”。只有当车上的两个传感器同时触发警告时，汽车才会停止，但是这种情况没有发生。就特斯拉来说，“自动驾驶仪”是高端汽车的驾驶辅助功能，而不是真正的自主驾驶系统。

Luminar技术公司联合创始人兼首席技术官Jason Eichenholz表示，一个探测范围为200米的激光雷达本应该及时发现这辆卡车，并通过程序控制刹车。当时，汽车激光雷达的探测范围只有几十米，但在2017年，Luminar公司公布了一种范围达到200米的新型雷达，并计划今年向汽车制造商交付其首条生产线。除了特斯拉之外，大多数开发自动驾驶车辆的公司正在认真研究激光雷达。

事实上，为了达到4级或5级的自主驾驶级别，大多数车辆开发商设想了一套传感器套件，其中不仅包括激光雷达，还包括微波传感器、光学相机甚至超声波传感器（参见下面的图表）。汽车的控制系统将结合并分析来自多个传感器的输入信号，这个过程被称为“传感器融合”，随后再做出控制决定，如驾驶汽车并发出警告或在必要时进行制动。

为自动驾驶汽车重新开发激光雷达。

20世纪60年代初以来，激光测距技术一直在不断发展，当时美国麻省理工学院林肯实验室通过发射来自红宝石激光器的50焦耳脉冲测量了地球到月球的距离。虽然大部分激光雷达仍然依靠相同的基本飞行时间原理，但激光测距技术的发展已经走过了很长的一段路。

2005年美国**部高级研究计划局开展的挑战激发了Velodyne Acoustics公司创始人David Hall的兴趣，他在自己的赛车上安装了旋转激光雷达，并重新设计了旋转激光雷达，其中包括64个激光和传感器。该激光雷达设计很快成为公司业务的一部分。美国**部高级研究计划局在2007年的“城市挑战”中证明了其必要性，当时完成挑战的六辆车中有五辆使用了Velodyne激光雷达。但是旋转激光雷达价格昂贵，当谷歌公司开始进行自动驾驶实验时，每个雷达的价格约为6万美元。但一直以来，Velodyne公司提供的激光雷达质量最佳，目前Velodyne能够提供小型的32线和16线激光雷达。

Velodyne激光雷达的性能受其激光波长的限制。Velodyne公司使用905nm二极管激光器，因为其价格低廉，可以与硅探测器一起使用。然而，由于激光会对眼睛造成损伤，因此必须限制激光脉冲功率以避免视网膜损伤。这对于固定激光雷达并不构成问题，其发射的一系列脉冲能够扩大探测范围，发射10000个脉冲的激光雷达可以达到300米的探测范围。但是移动激光雷达在每个点上只发射一个脉冲，对于反射率高的物体，其探测范围只能达到100米，对于反射率为10％的深色物体，其范围仅达30至40米。

降低成本

然而，对于致力于提高产能和利润的汽车制造商而言，旋转机械激光雷达的价格仍然过高。因此，激光雷达开发商Velodyne公司准备推出新一代成本更低的汽车激光雷达。为了降低旋转反射镜的高昂成本，新的激光雷达扫描范围通常限制在120度以内。这就要求将多台固定式激光雷达指向车辆前方、侧面和后方的不同方向，以建立车辆周围的三维点云。

上图是Quanergy S3固态激光雷达内部视图。左下图是单光子雪崩二极管阵列。右下图是具有远场辐射模式的发射器光相控阵列光子集成电路。图片来源：Quanergy公司。

2016年1月，美国Quanergy公司宣布计划大规模生产905nm固体激光雷达，探测范围为150米，极限探测反射率为8％。该公司首席执行官Louay Eldada表示，基于CMOS硅片的激光雷达采用光学相控阵技术，每秒扫描50万个点，光斑尺寸为3.5cm，长度为100m。批量生产计划于2017年11月开始，预计单件样品的售价将低于1000美元，在大批量生产情况下将降至250美元。

2017年4月，Velodyne公司宣布计划推出紧凑型905nm固态激光雷达，水平方向扫描120度，垂直方向扫描35度，甚至在低反射率的情况下探测距离可达200米。12.5×5×5.5cm的激光雷达模块应嵌入汽车的正面、背面和侧面或角落。Velodyne公司表示新型设计具有极高的机械可靠性，价格预计为数百美元。

波长更长，探测距离更远

Luminar技术公司共同创始人Eichenholz表示：“我们希望激光雷达的空间分辨率更高，光束角度更小更细，每个脉冲的能量足以在200米处观察到反射率为10％的物体。”

公司最初使用的是905nm激光，但是由于人眼安全问题，该波长不能达到足够的探测范围。Luminar的解决方案是转而使用电信级别的1550nm波段，该波段在能够被眼球强烈吸收，从而不会损伤视网膜。这种波长的激光允许在200米的探测范围内对暗物体提供更高的脉冲功率，足以让高速公路中的车辆在快速行驶中及时发现危险情况并安全停车。

Eichenholz表示，对于简单的飞行时间激光雷达来说，“光速太慢”。他预想的激光雷达能够在200米的探测范围内每秒扫描超过一百万点，但光线需要1.3微秒来完成一次往返。为了克服这个时间滞后，并获得所需的光场，Luminar的系统有两束同时飞行的光束，并在探测器中发生相互作用。

为了扫描各种场景，Luminar转而开发弯曲型扫描振镜，其水平扫描范围为120度，垂直扫描范围为30度。Eichenholz表示，他们的接收器“galvos”视野狭窄，减少了来自阳光、其他车辆的激光雷达、车灯和其他来源的干扰。当接收器获取到的是一个闪烁时，系统将丢弃该像素并移动到下一个。扫描仪还可以放大小区域以查看细节。Luminar正计划在位于奥兰多的工厂中生产这一新型激光雷达，并于今年制造并交付首批的10000台。

调频连续波激光雷达

美国加利福尼亚州帕萨迪纳的一家新兴公司Strobe在十月份被通用汽车公司（General Motors）收购，该公司选择使用相同的波长，但采用了不同的方法。Strobe的片上激光雷达并不是发射激光脉冲，而是将锯齿频率的啁啾脉冲应用于连续波激光器的输出。当反射的啁啾信号返回到激光雷达时，它将与光电二极管中输出的啁啾光束混合产生拍频，频率调制和与振荡器的混合使得系统成为一个相干激光雷达，使其在很大程度上不受干扰的影响。

对于静止目标，拍频将给出目标范围。对于移动目标，混合信号将产生两个频率，直接产生物体的速度和距离。飞行时间激光雷达必须根据时间序列的距离测量来计算速度。直接获取速度将缩短处理时间，并提供更多的信息。

相干激光雷达需要极低噪声的激光器和非常线性的啁啾声，所以两者通常都需要大型激光系统。Strobe系统的自锁注入式激光器是整个系统中的重要部分，它将二极管激光器和毫米级谐振器结合在一起，使噪声降低，并产生线性啁啾。该系统是由Maleki创立的另一家公司OEWaves开发的，其可以在半导体芯片上制造。使用1550nm激光器和PIN光电二极管，可以在200米处检测到反射率为10％的物体，在300米处可以检测到反射率为90％的反射器。它的高角度分辨率使它能够发现摩托车等小物体。扫描是由MEMS反射镜完成的，其成本低廉，适合大批量生产。

通用汽车公司首席执行官Kyle Vogt表示，Strobe激光雷达能够承受阳光的照射，阳光直射能够使照相机和人眼失去作用。“但也许更重要的是，通过将整个传感器缩小到一个芯片上，我们将把自动驾驶汽车上的每个激光雷达的成本降低99％。”

光学相控阵的可行性

其他基于芯片的激光雷达的开发商正在致力于使用光学相控阵进行固态扫描。德雷珀实验室是美国马萨诸塞州剑桥市的一家独立非营利组织，从事传感器融合和自动驾驶车辆研究，正在开发一种结合光波导和MEMS开关的芯片激光雷达。一系列MEMS开关将来自波导的光线耦合到空气中。可单独寻址的MEMS开关只移动几分之一毫米，并不反射光线。

德雷珀实验室正在研究他们的近程（905 nm）和远程（1550 nm）雷达版本。近程版本能扫描170度，并在汽车周围间隔排布以覆盖附近的环境，远程版本只能扫描50度，覆盖前方200米的道路和毗邻区域，允许在高速行驶中进行探测。每个开关都是可寻址的，所以激光雷达可以转换到更高的帧频以覆盖感兴趣的区域。激光雷达可以互相配合使用，并与其他传感器一起监测整个区域。

这些工作大部分仍然处于实验室阶段。例如，麻省理工学院的Christopher Poulton及其同事最近报道了在相控阵扫描的集成芯片上首次演示频率调制相干激光雷达，其探测范围仅为2米。然而，这项工作指出了对汽车工业来说重要的高规模整合的可行性，并致力于降低零件生产成本。

激光雷达技术的未来

激光雷达制造商的目标是用紧凑但功能强大的集成激光雷达取代早期旋转的车顶激光雷达，并且将批量生产价格控制在100美元一下。这些激光雷达将形成传感器套件的一部分，接入强大的计算机化导航和控制系统，因为即使如激光雷达一样强大，也不可能仅凭一种技术完成所有需要的传感。

Eichenholz表示：“不管激光雷达分辨率多高，都识别不出红绿灯的颜色。所以彩色相机将起到一定的补充作用。在恶劣天气下，微波雷达比激光雷达工作得更好。”Maleki补充道：“所以微波雷达也是必需的。激光雷达无法提供汽车在近距离停放所需的近距离高分辨率，这是超声波传感器的工作。而汽车中的人工智能软件将需要将这些传感器的所有输入信号汇总在一起，形成一体化只能感应系统，而且整个系统的总体成本要高于其总和。”

这些改变需要时间。就目前而言，与自动驾驶领域一样，自动激光雷达仍然处于不断变化之中。南佛罗里达大学激光雷达的先驱Dennis Killinger表示：“许多人都进入到这个领域，投入了大笔资金，而且还有一大批新兴的激光雷达公司。但激光雷达领域的重大技术变革仍在进行中。”

来源： https://www.osa-opn.org/home/articles/volume_29/january_2018/features/lidar_for_self-driving_cars/

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