这段时间，武汉萝卜快跑火出了圈，很多人都在讨论无人驾驶对未来出租车运营的影响，根据现有信息，萝卜快跑在车载感知方面，通过摄像头得到视觉图像数据，同时通过激光雷达和4D毫米波雷达得到主动光传感器数据。
随着萝卜快跑的批量化运营，自动驾驶技术取得重大进展，证明了车载传感器在获取周围环境数据后通过算法处理，构建车辆周边的三维即时环境的可行性。
光学摄像头、毫米波雷达、超声波传感器和激光雷达（Light detection and ranging, LiDAR）。
不同类型的车载传感器的位置及各自功能如下图所示，其中车载激光雷达能够对于近、中、远距离场景均能构建。
下面将简要介绍这几种主要传感器的原理，以及它们的优势和劣势。
1）光学摄像头：该方案是一种被动式的探测，即环境光照射到物体表面反射，并被接收系统接收后，数据处理系统采用图像识别算法进行处理，最终获取周围环境和车辆的信息。光学摄像头传感器具有较好的空间分辨率、能够获取具体的物体形状与颜色信息的优势。但是该传感方式依赖外部光线，受环境光影响大；除此之外，该方案依赖深度学习算法，数据处理量大，欠缺对行人识别的稳定性。
2）毫米波雷达：该方案采用波长为1~10 mm，即频率为30~300GHz的毫米波作为探测媒介，通过接收并分析被物体表面反射的毫米波来实现探测的功能，能够同时实现测距和测速功能，有效距离达到了200 m。该技术较为成熟，具有价格相对低廉，性价比较高的优势。但是该方案使用的毫米波的波束较宽且波长较长，导致其识别精度较弱，无法辨别物体的细节，需要对复杂的返回信号进行处理；毫米波雷达对非金属的物体检测灵敏度远远低于金属物体，导致其在人车混合的复杂场景下对行人的探测效果不理想。
3）超声波传感器：该方案采用超声波进行测距，利用发射和接收信号的时间差来获取周围物体的位置信息。主要用于变道辅助与自动倒车等场景。超声波探测具有受环境干扰小、成本低廉与体积小等优点，主要用于短距离探测领域。但是由于声波传播的速度较慢，因此不能对中远距的物体进行测量。
4）激光雷达：该方案通过发射并接收被物体表面反射的激光，实现对物体的探测。激光雷达同时具有探测距离远、分辨率高、受环境光影响小以及抗电磁干扰等优点；除此之外，该方案与光学摄像头相比，无需复杂的深度学习算法。但是该方案在如风沙和雨雪等恶劣条件下使用效果不理想，且价格较为昂贵。
总体来看，和其他几种传感器相比，激光雷达在探测距离、分辨率、受到环境光和电磁干扰影响等方面均具有优势，在车载传感器领域得到了越来越多的关注和应用，尤其近年来上市的国产新能源汽车基本装备有激光雷达，用于识别汽车周围的环境信息。
激光雷达是以激光为媒介进行探测的。如下图所示，激光雷达由发射系统、扫描系统、接收系统和信号处理系统构成。
激光雷达和雷达探测原理相似，区别在于它使用的探测媒介是激光而不是微波，由于激光具有发散角小的优点，所以激光雷达具有更高的角度分辨率。
激光雷达的原理为：发射系统发出的激光被物体表面反射后，在接收端被被接收系统接收。在被数据处理模块处理后，得到精确的物体位置信息。
根据探测原理的差异，将激光雷达分为两类：非相干探测激光雷达和相干探测激光雷达。下面将具体介绍这两种探测方式的原理和代表方案。
基于非相干探测原理的激光雷达主要为ToF激光雷达，该方案光源一般为波长905 nm或者940 nm的脉冲光。如下图所示：
ToF激光雷达原理为：一束脉冲光由激光器发出，被物体表面反射后，由接收端的探测器接收，通过提取脉冲光从发射到接收的时间差τ，计算得到物体的距离r为：
其中c为光速，一般在空气中取3×10E8 m/s。
基于相干探测原理的激光雷达主要是FMCW激光雷达，该方案采用光外差相干探测的方式来获取物体的信息，光源的波长一般为1550 nm。和ToF激光雷达方案的光源不同的是，该方案采用的激光是频率连续且周期性变化的。下图是采用三角波扫频格式的FMCW激光雷达测量静止物体的示意图。
FMCW激光雷达探测的原理为：频率随时间线性变化的激光被分成两路，一路作为探测光，另一路为本振光。探测光被物体表面反射，并且被接收后与本振光混合相干，得到拍频信号光，物体的距离r和拍频信号光的频率fb之间有以下关系：
FMCW激光雷达作为下一代有望被车辆装载的传感器，与ToF激光雷达相比有以下几点优势：
第一，FMCW激光雷达的光源为频率连续且周期性变化的激光，采用光外差相干探测的方式进行探测。其中本振光对探测光有放大作用，相对于ToF激光雷达，FMCW激光雷达对光源发光功率的要求更小；连续波的工作方式和脉冲的工作方式相比，具有较小的平均功率。此外，FMCW激光雷达具有更高的灵敏度与分辨率。
第二，ToF激光雷达大多采用波长为905nm或者940nm的高能量脉冲激光器作为光源，如下图(a)所示，FMCW激光雷达光源采用波长为1550nm的激光对人眼更加安全，这使得FMCW激光雷达光源的发射功率和探测距离不会受到安全方面的太多限制。与此同时，如图(b)所示，波长为1550 nm的激光远离可见光谱，不易受到环境光的影响。除此之外，波长为1550 nm的激光在空气中穿透能力强，在空气中不容易被散射或者吸收。
第三，采用三角波扫频格式的FMCW激光雷达，在同一次测量中，能够同时提取由于距离而引入的拍频信号的频率差和相对速度而引起的多普勒频移，并通过计算同时得到物体的距离和速度信息。
综上所述，和ToF激光雷达相比，FMCW激光雷达具有高灵敏度与高分辨率、低能耗、抗干扰能力强、对人眼伤害小、在一次测量中能够同时获取物体的距离和速度信息等优势，受到越来越多的关注。
如下图所示，FMCW激光雷达的光源常用的扫频格式有三种：锯齿波、三角波和正弦波。
这三种扫频格式，均通过光外差相干探测的方式产生拍频信号，通过提取拍频信号的频率，最终计算得到物体的距离信息。
1、采用锯齿波扫频格式的FMCW激光雷达通过相干得到单频的拍频信号，其优点为信号容易处理。但是，当物体运动时产生多普勒频移，将引入测量误差，因此这种扫频格式仅仅适用于测量静止物体。
2、采用三角波扫频格式的FMCW激光雷达通过相干分别得到上、下半坡的拍频信号，数据处理较为复杂。测量时，分别提取上、下半坡拍频信号的频率，并将其相加能够消除多普勒频移对物体距离测量的影响，将其相减得到物体的速度信息。因此，在一次测量中，采用三角波扫频格式的FMCW激光雷达能够同时获取物体的距离与速度信息。
3、采用正弦波扫频格式的FMCW激光雷达易得到线性频率扫描，但是该扫频格式产生拍频信号的频率不稳定，并且具有测量精度较低的缺点，一般不采用这种扫频格式进行测量。
总体来说，FMCW激光雷达将在以后的激光探测或车载感知方面应用将越来越广泛！
(1)张功 大功率分布式布拉格反射激光器及其在调频连续波激光雷达中的应用[D].
(2)蔡一鸣 高平均功率脉冲光纤激光放大系统研究[D].
(3)赵蓉 基于飞秒激光直写光波导的光纤传感技术研究[D].
(4)丛阳滋 联合多源点云的激光雷达三维建图与更新[D].
