孫文明

摘 要：在無人駕駛汽車（簡稱無人車）環(huán)境感知系統(tǒng)中，激光雷達(dá)完成了對周圍環(huán)境的三維空間感知60%-75%的信息獲取，是實現(xiàn)汽車無人駕駛技術(shù)的關(guān)鍵傳感器。當(dāng)無人車在道路上行駛時，激光雷達(dá)很可能被其他車輛發(fā)出的激光脈沖信號或人為因素所干擾，導(dǎo)致車輛誤判或漏判，造成極為嚴(yán)重的后果。本文在深入分析了車載激光雷達(dá)常見干擾形式后，提出了相應(yīng)的抗干擾措施。

關(guān)鍵詞：無人駕駛汽車 車載激光雷達(dá) 串?dāng)_ 串碼

Research on Anti-jamming Technology of Laser Radar Pulse Signal for Driverless Car

Sun Wenming

Abstract：In the environment detection system of driverless cars， laser radar completes the information acquisition of 60%-75% of the three-dimensional space perception of the surrounding environment， which is a key sensor to realize the technology of self-driving cars. When driverless cars are running on the road， the laser radar may be interfered with by laser pulse signals or human factors from other vehicles， leading to misjudgment or missing judgment of vehicles， resulting in extremely serious consequences. After analyzing the jamming types of laser radar in depth， the article put forward corresponding anti-jamming measures.

Key words：driverless cars， vehicular laser radar， crosstalk， the string of code

無人車在行駛過程中需要對周圍環(huán)境信息進(jìn)行實時獲取并處理。相比無人駕駛技術(shù)組成單元中的其他類型傳感器，激光雷達(dá)探測的距離更遠(yuǎn)，精度更高，使得谷歌、百度、Uber等主流無人車研發(fā)團隊均使用激光雷達(dá)作為環(huán)境感知與定位傳感器，與圖像識別等技術(shù)搭配，使無人車實現(xiàn)對路況的判斷。作為無人車安全和智能性的重要保障，車載激光雷達(dá)的運行穩(wěn)定性極為關(guān)鍵。

1 車載激光雷達(dá)工作原理

1.1 車載激光雷達(dá)作用

激光雷達(dá)是激光探測與測距的簡稱，通過點云建立周圍環(huán)境3D模型。為了精準(zhǔn)檢測復(fù)雜環(huán)境，激光雷達(dá)需要與多種傳感器組合使用。與視覺傳感器組合，不僅可以識別物體，還能實現(xiàn)目標(biāo)空間測距、目標(biāo)圖像識別等功能;與GPS定位組合，可實現(xiàn)車輛所需的高精度定位[1]。

1.2 車載激光雷達(dá)組成

車載激光雷達(dá)一般由激光發(fā)射器、接收器、信號處理單元和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)四大核心部件組成，如圖2所示。

1.3 車載激光雷達(dá)工作原理

（1）測距原理

激光雷達(dá)測距方法主要分為三種：脈沖測距、相位測距和三角測距[2]。因脈沖測距法測量范圍大、測量速度高、抗光干擾能力強，可實現(xiàn)厘米級精度的測量，目前無人車搭載的激光雷達(dá)基本上均采用這種測距方法。

無人車行駛時，激光雷達(dá)以一定的角速度ω勻速轉(zhuǎn)動，此時脈沖激光發(fā)射器向外發(fā)射一系列重復(fù)周期的高頻窄脈沖（脈沖寬度小于50ns），激光脈沖到達(dá)目標(biāo)表面后被反射。通過測量激光脈沖折返時間，計算激光雷達(dá)與目標(biāo)對象的相對距離。

（2）測速原理

車載激光雷達(dá)不僅需要檢測周圍環(huán)境中運動物體與無人車之間的實時距離，還需要測量目標(biāo)物體與車輛的相對速度，可以采用多普勒頻移測速的方式求得。

假設(shè)激光雷達(dá)與目標(biāo)物體之間的距離為S，則激光脈沖到達(dá)目標(biāo)并且返回的全程中，波長λ額總數(shù)為，每個波長對應(yīng)的相位變化，全程傳播路徑總相位變化為：

如果目標(biāo)相對激光雷達(dá)運動，S和相位隨時間變化而變化，計算相位與時間的導(dǎo)數(shù)，可得角頻率為：

為多普勒頻移，計算公式為：

因此，只要測量出多普勒頻移，即可確定目標(biāo)物體與激光雷達(dá)之間的相對速度，從而從計算出前方目標(biāo)物體的實際速度。

2 車載激光雷達(dá)信號干擾類型

無人車在行駛過程中，路旁的灌木、雜草、雨雪霧、玻璃、道路上的各種障礙物以及日光影響下APD產(chǎn)生的散粒噪聲，并不會形成激光雷達(dá)的干擾源，這些都屬于汽車周圍的環(huán)境，可以通過優(yōu)化算法識別探測。真正對激光雷達(dá)產(chǎn)生干擾的，是其他車輛發(fā)出的激光脈沖信號或人為因素造成的干擾，激光雷達(dá)無法判斷是否為自己發(fā)出的脈沖光[3-7]。汽車接收到錯誤信號后，極易誤判或漏判，嚴(yán)重者會造成交通事故。

常見的車載激光雷達(dá)信號干擾形式有：

（1）串碼及黑客攻擊。如果車載激光雷達(dá)發(fā)射的信號未被編碼、加密，當(dāng)無人車行進(jìn)時，黑客只需一臺激光發(fā)射器或計算設(shè)備（Arduino或RPi），對著無人車發(fā)射強幅度、高頻率的光源輻射，即可將激光雷達(dá)所有探測器全部飽和至失效，導(dǎo)致車輛無法正常工作;或者發(fā)送虛假信號，對無人車激光脈沖信號進(jìn)行概念性攻擊，針對目標(biāo)車輛進(jìn)行控制;無人車為了準(zhǔn)確識別路況，需要實時更新高精地圖，如果黑客把下載后的準(zhǔn)確地圖替換掉，將會造成定位失效[8]。