大家好，我是電動(dòng)小偵探！隨著上海車展蔚來ET7、小鵬P5、極狐阿爾法S等車型登臺(tái)亮相，自動(dòng)駕駛又一次成了車展“迎接未來”主題的話題點(diǎn)。而三款面向城市高級輔助駕駛的車型，無一例外地搭載咱們眼中“傳說”已久的激光雷達(dá)。這次小偵探就把這個(gè)讓人又愛又恨的激光雷達(dá)拎出來，從原理到應(yīng)用場景，用最淺顯的方式給大家捋一捋它的前世今生。
激光雷達(dá)安全嗎？
其實(shí)，激光雷達(dá)和咱們都熟悉的倒車?yán)走_(dá)，物理原理是相通的。都是通過電磁波發(fā)射、反射，然后計(jì)算時(shí)間差得到環(huán)境和障礙物的距離信息。
汽車品牌之所以拼了命的撩撥激光雷達(dá)，是因?yàn)檫@東西正好彌補(bǔ)了攝像頭和毫米波雷達(dá)的缺點(diǎn)，激光雷達(dá)的探測距離更遠(yuǎn)，受環(huán)境變化的影響較小，而且精度較高，甚至能通過發(fā)射出去的電磁波描繪出周圍環(huán)境的3D圖像。不過，激光雷達(dá)從概念到裝車，可不是一帆風(fēng)順的。
從大蘑菇到豆腐塊
普羅大眾對于激光雷達(dá)的初認(rèn)知，最早始于谷歌這臺(tái)用于自動(dòng)駕駛開發(fā)的小萌車，頭頂上的“大蘑菇”便是激光雷達(dá)的一種——機(jī)械式激光雷達(dá)。它的工作原理就跟我們看潛水艇、戰(zhàn)艦上的雷達(dá)掃描器一樣，通過快速的旋轉(zhuǎn)，實(shí)時(shí)掃描周圍3 60°的環(huán)境信息。所以機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)就很明顯了：視野非常廣！
但是，誰愿意將來自己的車頂著個(gè)大蘑菇呢？太難看了吧！不僅如此，旋轉(zhuǎn)掃描的激光雷達(dá)涉及到機(jī)械結(jié)構(gòu)之間的相互運(yùn)動(dòng)，一定程度上也影響了激光雷達(dá)的可靠性和使用壽命。因此，我們對量產(chǎn)車激光雷達(dá)的訴求就誕生了：
1、縮小體積，別太顯眼，否則影響車輛美觀度；
2、降低機(jī)械結(jié)構(gòu)的參與，拓展使用環(huán)境和耐用性。
小時(shí)候咱們在課堂上，有沒有拿小鏡片晃過老師？眾所周知，電磁波是可以反射的，那我可不可以固定住發(fā)射源，不讓它轉(zhuǎn)，而是讓電磁波在發(fā)射路徑上“旋轉(zhuǎn)跳躍”呢？于是，混合式激光雷達(dá)走進(jìn)了汽車廠商心中。混合式激光雷達(dá)內(nèi)部有一塊MEMS振鏡，在驅(qū)動(dòng)電路的帶動(dòng)下，MEMS振鏡產(chǎn)生高頻旋擺，而激光源是固定不動(dòng)的，打在振鏡上的電磁波就會(huì)在振鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)下，快速掃描鏡頭前方的環(huán)境。
說白了，混合式激光雷達(dá)的激光源就好比是太陽，MEMS振鏡就是你手中的小鏡片，黑板和老師就是被測物體，你用手（伺服電機(jī)）瘋狂地帶動(dòng)小鏡片，在老師和黑板間打出移動(dòng)的光斑，全班同學(xué)（接收器）在歡笑聲中目送你罰站……這就是混合式激光雷達(dá)的工作過程。
不難看出，混合式激光雷達(dá)避免了大規(guī)模的機(jī)械旋轉(zhuǎn)，體積可以做得更小，也在一定程度上提高了可靠性。我們來看一款成品，2017年奧迪推出新一代A8，這也是混合式激光雷達(dá)首次搭載到量產(chǎn)車上面，布置于牌照區(qū)下方。從外面我們看不到激光雷達(dá)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，但它可以提供145°的水平視角，80米的有效探測距離。
混合式激光雷達(dá)，里面還是有個(gè)伺服電機(jī)，能否進(jìn)一步減少機(jī)械運(yùn)動(dòng)呢？可以！全固態(tài)激光雷達(dá)，其中“固態(tài)”指的就是內(nèi)部結(jié)構(gòu)全部固定，徹底不存在機(jī)械運(yùn)動(dòng)。目前，實(shí)現(xiàn)全固態(tài)有兩種途徑，一種是光學(xué)相控陣（OPA），一種是閃光（Flash）。
咱們先說相控陣，如果您是軍迷，想必對相控陣應(yīng)該不會(huì)太陌生。既然機(jī)械結(jié)構(gòu)不動(dòng)，我就讓電磁波自身發(fā)生變化！水波和光的雙縫實(shí)驗(yàn)，物理課上都講過吧，簡單說就是利用波的干涉特性，經(jīng)過縫隙后會(huì)在某個(gè)方向加強(qiáng)，其他方向減弱。相控陣激光雷達(dá)也是利用這個(gè)基礎(chǔ)原理，做了很多導(dǎo)管并排成陣列，激光光源經(jīng)過導(dǎo)管陣列后會(huì)發(fā)生多縫干涉，產(chǎn)生定向增強(qiáng)的波束。此時(shí)我們再去調(diào)節(jié)激光光源的波長或相位，就能獲得激光掃描的效果。
而Flash激光雷達(dá)的原理，更像我們再熟悉不過的相機(jī)。它是直接用激光光源在傳感器上打出一個(gè)平面，照射到物體后再反射回來，記錄每個(gè)像素點(diǎn)的飛行時(shí)間并算出物體的距離甚至形狀。因此， Flash激光雷達(dá)也被稱為“面陣方案”，大家甚至可以把它簡單理解成“激光3D相機(jī)”。
不過，相控陣和Flash在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用潛力還有待開發(fā)，畢竟汽車的工作環(huán)境復(fù)雜、惡劣，對探測距離也有較高要求。OPA和Flash要達(dá)到2 00米以上的有效探測距離，同時(shí)控制住成本，還需要一步步的努力。
安全性需要擔(dān)心嗎？
很多人談“激光”色變，是因?yàn)榧す庠谖覀冇∠笾谐３０殡S著武器一起出現(xiàn)。事實(shí)上，激光也是電磁波的一種，而它的頻率高于可見光范疇，再加上激光切割、激光近視手術(shù)等名詞，這些都進(jìn)一步加深了人們對激光的恐懼心理。
拋開劑量談毒性，都是耍流氓。事實(shí)上，車載激光雷達(dá)的安全性完全無需擔(dān)心。以國際電工委員會(huì)ICE對激光設(shè)備安全等級的劃分來看，Class1級要求“無生物性危害，不必特別管理”，符合這個(gè)等級的消費(fèi)品有激光教鞭、DVD播放機(jī)等等。同時(shí)，激光雷達(dá)的波長一般不低于850nm，也是為了避開可見光波段。市面上的車載激光雷達(dá)主要有兩種波長，分別是905nm和1550nm，小鵬P5屬于前者，蔚來ET7屬于后者。綜合波長、輸出功率、輻照時(shí)間等因素，車載激光雷達(dá)的安全等級要求也是Class1，目前來看還沒有敢在量產(chǎn)車上對人眼安全提出挑戰(zhàn)的廠商。
換句話說，現(xiàn)階段我們見到的這些激光雷達(dá)車型，都是安全的。再去比較的話，1550nm的波長會(huì)在電磁波到達(dá)視網(wǎng)膜之前就被晶狀體完全吸收掉，更是談不上對視力有什么傷害。也正是這個(gè)因素，蔚來ET7的激光雷達(dá)允許采用更高的功率，從而獲得更遠(yuǎn)的探測距離。這就涉及到接下來咱們要聊的——激光雷達(dá)的性能指標(biāo)了。
如何理解這些參數(shù)
將來大家會(huì)越來越多看到“線程”這個(gè)詞，我們可以將它看做是電磁波束的數(shù)量。單線激光雷達(dá)只有一個(gè)激光發(fā)射器和接收器，不管經(jīng)過機(jī)械旋轉(zhuǎn)，還是振鏡旋轉(zhuǎn)，最終投射出來就是一條線。而多線激光雷達(dá)是目前主機(jī)廠的共同選擇，投射出多條平行線，從而繪制出內(nèi)容更豐富的“雷達(dá)圖像”。
顯然，線程數(shù)量越多，激光雷達(dá)眼中的世界細(xì)節(jié)就越多。因?yàn)殡S著被測物體距離遠(yuǎn)近的不同，離得越遠(yuǎn)，打到物體上的激光掃描線間隔就越大。大家夜里用手電筒不也是么，照的越遠(yuǎn)光斑越小，亮度就越低。
不過線程數(shù)增加同時(shí)意味著發(fā)射源和接收器數(shù)量的增加，這成本肯定是水漲船高的。所以廠商也要根據(jù)自家產(chǎn)品激光雷達(dá)的使用場景合理規(guī)劃線程數(shù)量，以華為的中長距激光雷達(dá)為例，96線程，10%反射率下能達(dá)到150米的探測距離，同時(shí)擁有120°的水平視角和25°垂直視角，非常適合城區(qū)場景。再遠(yuǎn)，探測效果就下降得厲害了。
測距能力和視場角，咱們結(jié)合線程一起來說。再舉個(gè)例子，蔚來ET7的激光雷達(dá)擁有等效300個(gè)線程、120°水平視角、500米的最遠(yuǎn)探測距離。之所以能獲得500米的最遠(yuǎn)探測距離，很大程度上是300個(gè)等效線程貢獻(xiàn)的，線程數(shù)多了，才能維持遠(yuǎn)距離下的掃描密度。而且大家要注意“等效”兩個(gè)字，ET7的激光雷達(dá)很有可能是通過振鏡的極高頻偏轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)更高的掃描次數(shù)，以至于它用1顆發(fā)射器，就能獲得機(jī)械式激光雷達(dá)3顆甚至5顆發(fā)射器的效果，因此才加上“等效”二字。
另外ET7激光雷達(dá)的功率勢必更高，因?yàn)橐瑫r(shí)滿足大視野、長距離兩個(gè)條件下的角分辨率和點(diǎn)云密度。1550nm的波長安全性前面提過了，除此之外，這個(gè)波段的穿透性更強(qiáng)，受煙霧等惡劣環(huán)境的影響較小。在我看來，ET7上面的激光雷達(dá)既想要120°的水平視角幫助車輛進(jìn)行城市自動(dòng)駕駛，又想讓這顆激光雷達(dá)勝任高速上的遠(yuǎn)距離探測需求，所以等效300線程、120°水平視角、500米的探測距離都必不可少，即便用更少的發(fā)射器滿足了線程需求，也很難壓下成本。
視場角FOV，廠商們總愛宣傳水平參數(shù)，因?yàn)閿?shù)字大、好看，但水平+垂直才能真正描述一臺(tái)激光雷達(dá)的可視范圍。機(jī)械式激光雷達(dá)，就是那個(gè)蘑菇頭，可以完美做到360°水平視場角?？s小體積變成混合式激光雷達(dá)后，目前多數(shù)廠商不超過120°（當(dāng)然也要結(jié)合激光雷達(dá)的功能定位）。這里再把華為搬出來，我們看到目前已經(jīng)裝車的96線中長距激光雷達(dá)，F(xiàn)OV參數(shù)為120°水平+25°垂直，但亮點(diǎn)不在這里，普遍的激光雷達(dá)線束分布，越靠畫面中央越密、越靠畫面邊緣越稀，而華為卻能做到線束均勻分布，這大大降低了后端感知算法的難度。
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總結(jié)
不可否認(rèn)，未來兩年將處于激光雷達(dá)大量裝車，且多個(gè)技術(shù)路線共同發(fā)展的時(shí)期。面對廠商們的參數(shù)轟炸，我們可別掉到“為參數(shù)論”的險(xiǎn)境當(dāng)中，因?yàn)榧す饫走_(dá)還將經(jīng)歷一段時(shí)期的成本沉淀，不是說機(jī)械式激光雷達(dá)就落后、固態(tài)激光雷達(dá)就一定先進(jìn)，每個(gè)技術(shù)路線都會(huì)找到自己的應(yīng)用領(lǐng)域，甚至不一定在汽車上。自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，車載激光雷達(dá)一定要將參數(shù)和應(yīng)用場景結(jié)合在一起考量，它不是一個(gè)獨(dú)立的存在，而是跟整車傳感器方案、定位、算法算力等共同服務(wù)于未來出行。
