新·知丨自動駕駛傳感器那點事之 激光雷達(dá)性能指標(biāo)

上期我們簡單了解了車載傳感器主要組成和車載激光雷達(dá)簡述。很多小伙伴們表示可以分辨大類，但是一些具體的功能參數(shù)還是不太了解，那么本期我們將來介紹一下激光雷達(dá)的性能指標(biāo)。

先給小伙伴們做一個小測試，

比如下圖是一款 128 線激光雷達(dá)產(chǎn)品的參數(shù)表，大家能看懂嗎？

圖片來源 速騰聚創(chuàng)官網(wǎng)

看不懂也沒關(guān)系，相信看完我們今天的文章，

你就可以看懂啦~下面我們一個一個的來說

1、線數(shù)

車載激光雷達(dá)一般使用多線雷達(dá)，就是在垂直方向上具有多個發(fā)射器和接收器。對于激光雷達(dá)來說，線數(shù)越多、越密意味著可以更清晰、更完善的收集各類物體 3D 輪廓，目前自動駕駛車輛上大多使用 16 線、32 線、64 線、128 線等。

在類似于測繪，自動駕駛等場景下，激光雷達(dá)肯定是線數(shù)越高越好，但也有一個缺點，那就是。

02、波長

目前市場上三維成像激光雷達(dá)最常用波長分兩種，即905nm 和 1550nm。

兩者相比之下，波長為 1550nm 的激光雷達(dá)所使用的銦鎵砷(InGaAs)近紅外探測器要比波長為 905nm 所使用的硅基光電探測器更貴，所以二者的成本會有區(qū)別，其實還是所謂一分價錢一分貨，1550nm 激光雷達(dá)的激光器功率是傳統(tǒng) 905nm 硅光電系統(tǒng)的 40 倍；還有效解決了 905 納米對雨霧的穿透力的不足的問題，因此在復(fù)雜氣候天氣下也能將有效探測距離保持在 200 米以上。

同時1550nm 波長的激光也更加安全，對人眼沒有危害。原因在于，要讓激光雷達(dá)「看得更遠(yuǎn)」，就必須發(fā)射更強(qiáng)的光脈沖，然而波長越長能量越低，距離可見光越遠(yuǎn)。905 納米的激光，這對于人類來說是不可見的。但是如果它集中到了一個真人的眼球，而且具有足夠的能量時，就會損傷人類的視網(wǎng)膜。相比之下 1550 納米的激光，它在光譜的紅外線部分距離可見光波段更遠(yuǎn)，因此無法穿透人的眼球。

03、激光安全等級

上述有提到了激光對人眼的傷害，其實國際電工委員會（IEC）已經(jīng)制定了安全標(biāo)準(zhǔn)，它依據(jù)激光產(chǎn)品的波長、最大輸出激光功率或能量，將激光產(chǎn)品分為 7 大安全等級，車載激光雷達(dá)一般要求人眼安全級別為 Class1。

04、測距能力和盲區(qū)

這兩個我們放一起談，首先測距能力（量程），即能有效檢測到最近和最遠(yuǎn)距離，另外目標(biāo)的反射率越高則測量距離越遠(yuǎn)，目標(biāo)的反射率越低則測量距離越近。

比如參數(shù)表中的“200m@10%反射率”意思是激光雷達(dá)發(fā)射光束到 200 米的距離可以看清最低 10%光線反射率的物體，比如一張白紙。

圖片來源 速騰聚創(chuàng)官網(wǎng)

盲區(qū)，顧名思義是激光雷達(dá)無法接收到激光回波信號的距離。一句話概括就是在可視范圍之外即為盲區(qū)。感覺有點像游戲場景中的戰(zhàn)爭迷霧哈。

圖片來源 帝國時代

而盲區(qū)也會因為距離過近而產(chǎn)生，比如下圖中，當(dāng)物體緊貼激光雷達(dá)光罩時，性能好的激光雷達(dá)產(chǎn)品依然能夠有效探測，做到“零盲區(qū)”，而有的激光雷達(dá)在 0.2 米時就產(chǎn)生盲區(qū)無法成像了。

激光雷達(dá)盲區(qū)對比展示（圖片來源 禾賽科技官網(wǎng)）

這里順帶說一句，對于四維圖新而言，雖然激光雷達(dá)測距能力（量程）性能不一樣，但是四維圖新的自動駕駛解決方案，能根據(jù)不同傳感器的特點和指標(biāo)，調(diào)配出最優(yōu)方案，保障感知的精度和 Robust，例如將激光雷達(dá)安裝在車體某些位置和固定角度，再通過四維圖新自有傳感器融合算法來有效解決此問題，該解決方案已先后通過北京市自動駕駛路測 T3 牌照以及合肥市智能網(wǎng)聯(lián)汽車開放道路測試牌照。

四維圖新 自動駕駛車

05、精度

精度，即雷達(dá)可以感知的距離最小變化值。通常來說目標(biāo)距離激光雷達(dá)越遠(yuǎn)測距準(zhǔn)確度越低。以人眼為例，10 米距離上我們可以清晰看到一個酒瓶蓋大小的物體，而 200 米后就看不見了。如下圖，激光雷達(dá)點云數(shù)量隨著汽車物體的遠(yuǎn)近而降低，車體邊界輪廓精度隨之下降。

圖片來源 速騰聚創(chuàng)官網(wǎng)

06、視場角FOV

視場角 FOV（Field of View），即有效掃描角度，在該角度范圍內(nèi)目標(biāo)物體可被檢測到，它分為水平視場角和垂直視場角。以人眼為例，就是你直視前方時可以看到的上下和左右范圍。

水平視場角，即是水平面上所偵測的范圍，以 64 線激光雷達(dá)為例，單純的 64 線激光束的范圍是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，但如果增加線束的范圍又會大大增加成本，所以誕生了安裝馬達(dá)的機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)，這樣就可以配合旋轉(zhuǎn)的動作形成 360°水平視場角，而固態(tài)式激光雷達(dá)只能看到正前方某些度數(shù)（例如 60°至 120°）；

VelodyneHDL-64E 水平掃描示意圖

垂直視場角，垂直方位角指的是激光雷達(dá)垂直方向的檢測角度，一般在 40°以內(nèi)。而且光束也不是垂直均勻分布的，而是中間密，兩邊稀疏，而且激光光束會盡量向下偏置一定的角度，這也是為了掃描到更多的障礙物，在一定程度上可彌補(bǔ)上面說過的近處盲區(qū)。

VelodyneHDL-64E 垂直掃描示意圖

07、角分辨率

角分辨率，表示兩個相鄰測距點的角度。如下圖，它也分為水平角分辨率和垂直角分辨率，如上面的 FOV 一樣，水平角分辨率和垂直角分辨率分別表示水平面上點的夾角以及垂直面上點的夾角，這里就不過多贅述。

角分辨率 示意圖

另外，角分辨率大小決定了一次掃描能返回的樣本點數(shù)以及該激光雷達(dá)所能檢測的最小障礙物大小，比如 2 個激光光束相鄰測距點的角度為 0.4°，那么當(dāng)探測距離為 200m 的時候，2 個激光光束之間的距離為 200m*tan0.4°≈1.4m。也就是說在 200m 之后，只能檢測到高于 1.4m 的障礙物了。

圖片來源 速騰聚創(chuàng)官網(wǎng)

08、幀率

幀率，掃描頻率表示一秒內(nèi)雷達(dá)進(jìn)行多少次掃描，其計量單位是 HZ（赫茲是電，磁，聲波和機(jī)械振動周期循環(huán)時頻率的單位。即每秒的周期次數(shù)“周期 / 秒”）。掃描頻率越大，設(shè)備對外界環(huán)境的感知速度越快，系統(tǒng)實時性更高。

09、轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速的國際標(biāo)準(zhǔn)單位為 rps (轉(zhuǎn) / 秒)或 rpm (轉(zhuǎn) / 分)，1200rpm 意思是當(dāng)前激光雷達(dá)的馬達(dá)引擎轉(zhuǎn)速是每分鐘轉(zhuǎn) 1200 圈。與幀率一樣，轉(zhuǎn)速越高設(shè)備對外界環(huán)境的感知速度越快。

10、出點數(shù)

出點數(shù)（分單回波模式和雙回波模式），就是單位時間內(nèi)激光雷達(dá)可以掃描多少個點位。

我們以 128 線機(jī)械旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)為例計算一下出點數(shù)：

已知：

機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)是 360°水平視場角

10Hz 幀率（每秒掃描轉(zhuǎn) 10 圈）,也就是每 100ms(10Hz)轉(zhuǎn) 360 度

水平角分辨率為 0.2°

所以，當(dāng)水平角分辨率為 0.2°，旋轉(zhuǎn)一周將會產(chǎn)生 360/0.2=1800 個點

最終，出點數(shù)為 128 線*1800 個點*10HZ=2304000 點 / 秒（pts/s）

11、其他部分

對于車廠來說，車上所有電器元件的供電電壓、產(chǎn)品功率、產(chǎn)品工作溫度、IP 防塵風(fēng)水等防護(hù)等級都是非常重要的采購指標(biāo)，這里就不是我們需要關(guān)注的啦。

結(jié)語：

相信大家在看開頭的那個參數(shù)表，是不是會熟悉一些了呢？其實激光雷達(dá)也不是那么神秘，用一句話概括激光雷達(dá)的性能就是：通過激光良好的測距能力、穿透性和豐富的激光點云成像能力，可以幫助自動駕駛車輛看的更遠(yuǎn)、更清晰，隨時獲得車輛周圍的三維信息。

近期隨著國內(nèi)外激光雷達(dá)產(chǎn)品快速商業(yè)化落地，結(jié)合前文中提到華為、禾賽等企業(yè)在激光雷達(dá)領(lǐng)域的進(jìn)展，以及北汽、小鵬、蔚來等車企也紛紛發(fā)布自動駕駛車搭載激光雷達(dá)產(chǎn)品的上市時間，那么激光雷達(dá)在國外的情況怎樣？國內(nèi)的相關(guān)企業(yè)又是進(jìn)展的如何？下期小編就為大家整理一下相關(guān)情報，敬請期待吧！