許暉

有趣的三維重建

既然激光雷達(dá)是基于“激光”的特性所研發(fā)的，那么有必要給大家在開(kāi)始稍微說(shuō)一下激光到底有什么特性。激光的原理早在1916年便被愛(ài)因斯坦所發(fā)現(xiàn)，但是真正成型的激光發(fā)生器直到接近1960年才被制造出來(lái)。與尋常光源向四面八方發(fā)光所不一樣的是，激光天生就是朝一個(gè)方向射出并且光束發(fā)散度極小，其亮度極高，顏色極純，能量密度極大，所以被廣泛應(yīng)用在長(zhǎng)距離測(cè)距、切割焊接、熱處理乃至于武器方面。

基于這些特點(diǎn)所研發(fā)的激光雷達(dá)LiDAR（Light Detection and Ranging），學(xué)名是激光探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)，利用激光束探測(cè)目標(biāo)，獲得數(shù)據(jù)并生成精確的數(shù)字工程模型。工作原理就是發(fā)射和接收激光束?？瓷先ズ軓?fù)雜，可通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的比喻大家就會(huì)明白其原理了。比方你與小伙伴置身于一間全透明的玻璃壁球館里，進(jìn)行一場(chǎng)有意思的壁球比賽，你用球拍所打出每一記沾滿染料的壁球都將在玻璃墻上印上清晰的印記，并回彈到小伙伴處。那么只要打出足夠多的球就能在整堵墻上留下印記，等同于讓這堵本來(lái)看不見(jiàn)的玻璃墻顯形在眼前。同時(shí)每次記錄下球從飛出去到彈回來(lái)的時(shí)間也能根據(jù)球速計(jì)算出玻璃墻離你的距離。激光器所發(fā)出的脈沖激光正是這個(gè)不斷在空中飛向玻璃墻的壁球，發(fā)球的你便是激光發(fā)射器，接球的小伙伴則是負(fù)責(zé)接收激光束的接收器。你們兩人通過(guò)不斷的打點(diǎn)記錄下這間全透明的壁球室到底是什么樣子的。這也正是激光雷達(dá)讓系統(tǒng)能通過(guò)算法重建其所掃描的三維世界最直觀的方法了。

三維重建對(duì)于自動(dòng)駕駛有著極其重要的作用，激光雷達(dá)在自動(dòng)駕駛中的應(yīng)用，最重要部分就是定位，位置確定了，自動(dòng)駕駛車輛才知道要去哪里、以及怎么去。所以，確定“我在哪里”是第一步，也是非常關(guān)鍵的一步。接下來(lái)便是與其他傳感器分庭抗禮而又互補(bǔ)的功能—對(duì)障礙物檢測(cè)和分類，激光雷達(dá)不依賴光照，它的視角是 360 度，計(jì)算量比較小，可以實(shí)時(shí)掃描，預(yù)先識(shí)別障礙物，了解障礙物在空間中的位置，再根據(jù)存在的障礙物做分類。這點(diǎn)對(duì)于自動(dòng)駕駛安全至關(guān)重要。

激光雷達(dá)的歷史與科代表

從1960年，美國(guó)加州修斯實(shí)驗(yàn)室梅曼研制出第一臺(tái)紅寶石激光器開(kāi)始，科學(xué)家就提出激光雷達(dá)的設(shè)想。1988年到1993年期間，德國(guó)把激光的掃描技術(shù)和即時(shí)定位的位置系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，形成空載激光雷達(dá)掃描儀，1995年Optech和TopScan共同推出了一款激光雷達(dá)，開(kāi)啟了激光雷達(dá)的商業(yè)化。2005年Velodyne創(chuàng)始人Dvaid Hall發(fā)明了360°機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)。大家可以記下Velodyne這個(gè)名字。畢竟在激光雷達(dá)正式進(jìn)入商用之后的二十年之間，這家企業(yè)真正做到了現(xiàn)在不少熱銷車型也未必能做到的事情——加價(jià)賣。為了研發(fā)自動(dòng)駕駛測(cè)試車，Velodyne的 64線的激光雷達(dá)“一達(dá)難求”，加價(jià)到10萬(wàn)美金也供不應(yīng)求。盡管現(xiàn)在對(duì)于高精度激光雷達(dá)的需求仍處于一個(gè)萌芽階段，不過(guò)先知先覺(jué)的人們已經(jīng)敏銳的洞察到一個(gè)信息，一旦自動(dòng)駕駛技術(shù)成熟，激光雷達(dá)必定引發(fā)一輪井噴式需求。去年Velodyne得到了福特與百度聯(lián)投的1.5億美元更坐實(shí)了市場(chǎng)觀望方向。這讓中外技術(shù)團(tuán)隊(duì)紛紛加入戰(zhàn)團(tuán)，無(wú)懼Velodyne的科代表身份，甚至部分還敢于上新技術(shù)挑戰(zhàn)權(quán)威，比如Luminar、Innoviz、Innoluce等企業(yè)的MEMS微振鏡激光雷達(dá)，以及Quanergy所放出的OPA相控陣激光雷達(dá)。這其中不少企業(yè)背后更是某些著名的主機(jī)廠或零部件巨頭占股，推波助瀾之下，百鳥(niǎo)爭(zhēng)鳴。中國(guó)在此領(lǐng)域盡管進(jìn)入較晚，不過(guò)令人欣喜的是涌現(xiàn)出了如速騰聚創(chuàng)、北科天繪等中國(guó)公司，得到了不少主機(jī)廠的認(rèn)可。其中速騰聚創(chuàng)更是其中值得關(guān)注的自主品牌。該公司從2014年創(chuàng)立以來(lái)，產(chǎn)品迭代迅速，從原來(lái)用于靜態(tài)測(cè)繪到現(xiàn)在專注于自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)研發(fā)制造。產(chǎn)品的質(zhì)量與技術(shù)的更新可圈可點(diǎn)，其中16線產(chǎn)品RS-LiDAR從數(shù)據(jù)而言，甚至略優(yōu)于Veledyne的16線產(chǎn)品。最近與相關(guān)部門聯(lián)合打造的自動(dòng)駕駛客運(yùn)巴士——阿爾法巴（Alphabus）正式在深圳福田保稅區(qū)的開(kāi)放道路進(jìn)行線路的信息采集和試運(yùn)行。

種類促進(jìn)技術(shù)，技術(shù)發(fā)展種類

隨著接近三十年時(shí)間的進(jìn)化，盡管最終所依托的工作原理一樣，但是激光雷達(dá)的制造工藝技術(shù)一直在不斷的進(jìn)步。從開(kāi)初的傳統(tǒng)機(jī)械式產(chǎn)品開(kāi)始發(fā)展到準(zhǔn)備量產(chǎn)的全固態(tài)產(chǎn)品，激光雷達(dá)的發(fā)展方向除了效率越來(lái)越高，產(chǎn)品體積也越來(lái)越小，換言之技術(shù)難度也越來(lái)越高。從旋轉(zhuǎn)式掃描技術(shù)到MEMS掃描技術(shù)再到OPA相控陣技術(shù)，只有想不到，沒(méi)有做不到的。不過(guò)可以肯定的一點(diǎn)是，這一條技術(shù)路徑，顯然主要考慮的是成本問(wèn)題，因?yàn)橐坏?shí)現(xiàn)量產(chǎn)，那么基本就可以實(shí)現(xiàn)量級(jí)的成本下降。

機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)

從工作時(shí)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)來(lái)看，機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)應(yīng)該算目前最為常見(jiàn)的一種了。還記得包括谷歌在內(nèi)的一種自動(dòng)駕駛先行者早年路試時(shí)候的車輛么？車頂上那個(gè)不斷旋轉(zhuǎn)著的物件便是機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)，其典型特征即為擁有機(jī)械部件，會(huì)旋轉(zhuǎn)，找個(gè)比較容易理解的例子，就像一個(gè)去掉外殼的車頂警燈，反射鏡外加點(diǎn)光源不斷旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的那種效果。若把反射鏡看成接收器，而里面大大的紅燈泡看成激光發(fā)射機(jī)便是機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)的工作情況。至于多少線掃描這個(gè)大家都很關(guān)注的參數(shù)指標(biāo)，無(wú)非就是在里面增加了多少個(gè)激光發(fā)射器以及接收器。

到了后來(lái)可能大家也覺(jué)得這一直轉(zhuǎn)著的東西實(shí)在不太美觀，還很容易臟，便紛紛在外面加了個(gè)“全家桶”一樣的保護(hù)殼，也就是所謂的混合固態(tài)激光雷達(dá)，固態(tài)指的是“全家桶”外表，里面依然是不斷旋轉(zhuǎn)工作的機(jī)械結(jié)構(gòu)。為此目前市面上使用最多的混合固態(tài)激光雷達(dá)依然屬于機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)。代表企業(yè)正是目前激光雷達(dá)領(lǐng)域的龍頭老大Velodyne。

機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)雖然擁有著掃描速度快、接收視場(chǎng)小，抗光干擾能力強(qiáng)，信噪比高以及可承受激光功率高等優(yōu)點(diǎn)，不過(guò)其掃描角度固定，光路調(diào)試、裝配復(fù)雜，生產(chǎn)周期漫長(zhǎng)，成本居高不下的缺點(diǎn)也十分明顯，最讓人頭疼的是機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件在行車環(huán)境下的可靠性不高，難以符合車規(guī)的嚴(yán)苛要求。公路的無(wú)人駕駛車輛可能還能勉強(qiáng)適應(yīng)，可若日后發(fā)展到越野開(kāi)放路段，乃至于戰(zhàn)時(shí)的嚴(yán)苛戰(zhàn)場(chǎng)，那么這種工藝的產(chǎn)品肯定熬不過(guò)來(lái)甚至成為首先被消滅的部件。

MEMS微振鏡激光雷達(dá)

有個(gè)全家桶頂在頭上，多少會(huì)限制了比如行李架等傳統(tǒng)車外配件的安裝，關(guān)鍵是顏值不夠美觀，所以盡量縮小雷達(dá)尺寸成為研究方向。正所謂轉(zhuǎn)身不如轉(zhuǎn)頭快，轉(zhuǎn)頭不及轉(zhuǎn)動(dòng)眼珠子迅速。既然那種牽一發(fā)而動(dòng)全身的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)激光雷達(dá)，穩(wěn)定性始終難以控制，還成本老高，那么干脆取其精華，MEMS微振鏡激光雷達(dá)應(yīng)運(yùn)而生。其將原本體積較大的機(jī)械結(jié)構(gòu)集成在硅基芯片上，在硅基芯片上集成體積十分精巧的微振鏡，由可以旋轉(zhuǎn)的微振鏡來(lái)反射激光器的光線，從而實(shí)現(xiàn)掃描。當(dāng)真跟轉(zhuǎn)動(dòng)眼珠以觀察周邊一個(gè)道理。這種設(shè)計(jì)在現(xiàn)階段有兩個(gè)比較顯著的好處，其一是不用大幅度地進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，可以有效降低整個(gè)系統(tǒng)在行車環(huán)境出現(xiàn)問(wèn)題的幾率。其二則是更加容易量產(chǎn)，有利于降低成本。不過(guò)MEMS微振鏡激光雷達(dá)也并不是無(wú)懈可擊的，小巧的MEMS偏振鏡礙于體積以及振動(dòng)幅度，其探測(cè)角度十分有限，另外掃描角度是由控制電路調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)比較困難?？傮w來(lái)說(shuō)，MEMS微振鏡激光雷達(dá)已經(jīng)能大幅度減小激光雷達(dá)的尺寸，不過(guò)對(duì)于自動(dòng)駕駛車輛來(lái)說(shuō)，盡管不需要全家桶在頭頂，卻也逃脫不了突出車外的宿命，很有可能以后這種產(chǎn)品與光學(xué)后視鏡合二為一，成為后視鏡位置的重合體。

不少公司都在利用自身原有技術(shù)優(yōu)勢(shì)加緊研發(fā)MEMS微振鏡激光雷達(dá)，如從飛利浦剝離出來(lái)，后被英飛凌收購(gòu)的荷蘭Innoluce公司。

Flash面陣技術(shù)和OPA相控陣技術(shù)全固態(tài)激光雷達(dá)

Flash面陣技術(shù)激光雷達(dá)是一個(gè)很有趣的技術(shù)，我們可以直觀地將其理解稱為一臺(tái)在黑暗之中拍照的單反相機(jī)，其工作原理就是在給周邊環(huán)境拍照，發(fā)射端在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)光學(xué)透鏡發(fā)射出一大片覆蓋探測(cè)區(qū)域的激光，接下來(lái)高度靈敏的接收端就如單反相機(jī)里面的CMOS，一個(gè)個(gè)像素組合成所得影像。其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)緊湊，但是難點(diǎn)在于像素陣列的組成，每個(gè)像素獨(dú)立解析，像素點(diǎn)越多，解析度越高，而且探測(cè)距離并不理想。大陸集團(tuán)于2016年所收購(gòu)美國(guó)加州的Advanced Scientific Concepts，Inc.（ASC）便是研發(fā)生產(chǎn)高分辨率3D Flash激光雷達(dá)業(yè)務(wù)企業(yè)。

至于相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)，不少熟悉軍事裝備的讀者可能已經(jīng)有所了解，近年各國(guó)海軍實(shí)力高速發(fā)展，特別是我國(guó)052D型驅(qū)逐艦的換裝。相控陣?yán)走_(dá)不需要旋轉(zhuǎn)發(fā)射器，但探測(cè)的精度和速度卻大大提高，相控陣技術(shù)的全稱是相位控制陣列技術(shù)。找個(gè)比較簡(jiǎn)單的例子，同時(shí)往水中臨近兩個(gè)地方扔石頭，會(huì)發(fā)現(xiàn)各自所激發(fā)的漣漪部分會(huì)相互抵消，而部分則會(huì)疊加增強(qiáng)。將這個(gè)原理放大，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，就能合成角度靈活，且精密可控的主光束，這就是相控陣的原理。其最大優(yōu)勢(shì)在于完全沒(méi)有機(jī)械結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)采集速度快，分辨率高，對(duì)于溫度和振動(dòng)的適應(yīng)性強(qiáng)。固態(tài)激光雷達(dá)的典型代表是美國(guó)的Quanergy公司，單面相控陣最大視角120度。已經(jīng)獲得了大型汽車零部件供應(yīng)商德?tīng)柛?，以及三星電子的?zhàn)略投資。Quanergy還在與Koito合作整合激光雷達(dá)的汽車前照燈。

條條大路通羅馬，需要達(dá)成一種應(yīng)用往往有著無(wú)數(shù)種技術(shù)解決方法，盡管MEMS、OPA、flash等技術(shù)的激光雷達(dá)目前都還沒(méi)有量產(chǎn)型產(chǎn)品出現(xiàn)，還只是實(shí)驗(yàn)室階段的小批量制品，可對(duì)于已經(jīng)如滾滾車輪無(wú)法停下來(lái)的自動(dòng)駕駛技術(shù)需求來(lái)說(shuō)，說(shuō)不定某一天突然就遍地開(kāi)花了。

結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)駕駛發(fā)展是一場(chǎng)艱苦的馬拉松比賽，激光雷達(dá)優(yōu)點(diǎn)不少，在HAD（高級(jí)自動(dòng)駕駛）是不可或缺的，但霧霾、煙、灰塵穿透力差，仍易受雨雪霧霾等天氣影響，為此現(xiàn)在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)一般會(huì)采用多傳感器融合方案，同時(shí)安裝激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和攝像頭多傳感器結(jié)合。單一技術(shù)的固守永遠(yuǎn)不能完成這場(chǎng)比賽，可以讓科技公司與傳統(tǒng)車企之間相愛(ài)相殺的局面逐步趨于穩(wěn)定的，只有開(kāi)源、合作、標(biāo)準(zhǔn)化。