曹 麗，宋夢洋，凌九紅

車載激光雷達(dá)關(guān)鍵性能參數(shù)及決定因素

曹 麗，宋夢洋，凌九紅

（武漢光迅科技股份有限公司，湖北 武漢 430205）

近年來，智能汽車的發(fā)展極大地推動了激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)的熱度，目前國內(nèi)外在激光雷達(dá)領(lǐng)域布局的公司越來越多。激光雷達(dá)系統(tǒng)復(fù)雜，應(yīng)用場景多樣，多種技術(shù)路線并存，因此，對激光雷達(dá)性能的評價(jià)不是一個(gè)簡單的問題，尤其是一些參數(shù)容易混淆，如探測精度、探測準(zhǔn)確度、探測分辨率、幀頻和點(diǎn)頻等。論文選擇車載激光雷達(dá)的關(guān)鍵性能參數(shù)，對這些參數(shù)的定義、計(jì)算方法、相互關(guān)系、決定因素等進(jìn)行了梳理和歸納，可以幫助用戶更好地使用激光雷達(dá)，對激光雷達(dá)的設(shè)計(jì)也有指導(dǎo)意義。

激光雷達(dá)；關(guān)鍵性能參數(shù)；計(jì)算方法；決定因素；智能汽車

激光雷達(dá)是一種發(fā)射光束并接收回波獲取目標(biāo)三維信息的系統(tǒng)，已經(jīng)有幾十年的應(yīng)用歷史。近年來智能汽車輔助駕駛技術(shù)的興起，推動了激光雷達(dá)的技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)熱度。

激光雷達(dá)的參數(shù)眾多，由于還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同廠家在宣傳中選擇的參數(shù)不完全相同。實(shí)際上，一些參數(shù)并不是激光雷達(dá)的核心參數(shù)，還有一些參數(shù)之間存在較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。如果不能正確認(rèn)識這些參數(shù)的含義、相互關(guān)系、決定因素，很可能被個(gè)別高性能指標(biāo)吸引，而無法了解激光雷達(dá)的真實(shí)性能。

本文對車載激光雷達(dá)的關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行了梳理和分析，對系統(tǒng)理解激光雷達(dá)的性能參數(shù)有重要的作用。

1 車載激光雷達(dá)核心性能參數(shù)及分類

對車載激光雷達(dá)的評價(jià)通常涉及到性能、可靠性以及應(yīng)用等方面。用戶關(guān)心的參數(shù)很多，包括：激光波長、探測距離、視場角（垂直+水平）、測距精度、角分辨率、出點(diǎn)數(shù)、線束、安全等級、輸出參數(shù)、防護(hù)等級、功率、供電電壓、激光發(fā)射方式、使用壽命等。但激光雷達(dá)功能上是一種距離測試系統(tǒng)，其核心性能應(yīng)圍繞測試的速度、測試的空間范圍、測試分辨率、測試的準(zhǔn)確度、測試的重復(fù)度幾方面來評價(jià)。依據(jù)這個(gè)原則，通常認(rèn)為激光雷達(dá)的核心性能參數(shù)有幀頻、最大探測距離和最小探測距離、視場角、距離分辨率、水平角分辨率、垂直角分辨率、點(diǎn)頻以及測距精度和測距準(zhǔn)確度。

根據(jù)現(xiàn)有激光測距儀相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)查詢，參數(shù)定義如下：

重復(fù)頻率[1]：每秒鐘完成的測距次數(shù)。

測程[1-2]：在規(guī)定大氣條件下，對規(guī)定目標(biāo)達(dá)到規(guī)定的測距準(zhǔn)測率時(shí)，能探測到的最遠(yuǎn)/近距離。

水平視場角：在水平方向上最大方位掃描角度θ。

垂直視場角：在垂直方向上最大方位掃描角度θ。

距離分辨率[3]：在光束傳播方向上能夠區(qū)分兩個(gè)目標(biāo)之間的最小距離間隔。

角分辨率[2]：在測程范圍內(nèi)，對位于光束截面上相對光軸的兩目標(biāo)分辨的能力。

測距準(zhǔn)確度[3]：所測得的目標(biāo)距離值與實(shí)際距離值之間的偏差。

準(zhǔn)測率[1-2]：達(dá)到規(guī)定測距精度的測距概率。

2 參數(shù)間的關(guān)系及決定因素

2.1 幀頻與轉(zhuǎn)速、掃描頻率

轉(zhuǎn)速是車載激光雷達(dá)一個(gè)很直觀的參數(shù)，對于機(jī)械旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)，轉(zhuǎn)速指的是電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，通常用每秒或分鐘轉(zhuǎn)的圈數(shù)來表示。20 r/s表示激光雷達(dá)的電機(jī)轉(zhuǎn)速是每秒鐘20圈。

激光雷達(dá)的幀頻和掃描頻率與轉(zhuǎn)速直接相關(guān)，旋轉(zhuǎn)一周掃描一次，掃描一次輸出一幀點(diǎn)云。20 r/s的轉(zhuǎn)速對應(yīng)的幀頻和掃描頻率都是20 Hz。

激光雷達(dá)電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度越快，掃描速度越快，輸出點(diǎn)云速度越快。

2.2 最大探測距離和最小探測距離

激光雷達(dá)的探測距離是最核心的性能參數(shù)。激光測距性能方程是激光測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，用于估算激光測距系統(tǒng)的最大探測距離。如圖1所示，激光器發(fā)出的光功率為0，光束經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)和傳輸距離，被光學(xué)系統(tǒng)和大氣衰減之后到達(dá)到目標(biāo)物，再從目標(biāo)反射光到接收光路。

到探測器的光功率為[4-5]

式中，目標(biāo)物的反射率為，發(fā)射和接收光學(xué)系統(tǒng)的透過率分別為TT，窄帶濾光片的透過率為T，大氣衰減率為，目標(biāo)反射表面法線與光軸之間的夾角為，接收機(jī)透鏡孔徑面積為A，目標(biāo)距離為。

由式（1）可以看出，激光測距系統(tǒng)的最大測程同時(shí)取決于外部測距條件和測距系統(tǒng)自身性能。

在激光測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，必須提高激光發(fā)射單元的發(fā)射功率，增大光學(xué)系統(tǒng)的透過率，增大接收單元的面積，減小接收機(jī)的最小可探測功率Pmin。

和兩個(gè)系數(shù)分別與光斑的大小、目標(biāo)物有效發(fā)射截面積A、發(fā)射光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角和為接收視場角相關(guān)[5]。

目標(biāo)物有效發(fā)射截面積小于光斑面積時(shí)，發(fā)射光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角越大，光束發(fā)散越快，接收端接收到的光功率越小。因此，發(fā)射端需要通過準(zhǔn)直整形減小激光器的光束發(fā)散角和光斑大小。

除了最大探測距離，激光雷達(dá)內(nèi)部發(fā)射光路與接收光路之間的距離會導(dǎo)致探測盲區(qū)產(chǎn)生，當(dāng)探測距離低于最小探測距離時(shí)激光雷達(dá)就無法探測到目標(biāo)物。

最小探測距離min的計(jì)算方式為

式中，為發(fā)射準(zhǔn)直光路中心與接收會聚光路中心的垂直距離；為探測器的感光區(qū)域直徑；為所選透鏡的焦距。

2.3 視場角

激光雷達(dá)的視場角是衡量激光雷達(dá)的感知范圍的一個(gè)指標(biāo)。視場角越大，能感知范圍更大，對于汽車駕駛的安全性更有幫助。但視場角也不是所有情況下都是越大越好，例如相同線數(shù)時(shí)，視場角越大垂直角分辨率越低。視場角需要根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境和使用要求來選擇。視場角的決定因素主要是激光雷達(dá)的掃描部分和光學(xué)設(shè)計(jì)。機(jī)械旋轉(zhuǎn)掃描方式因?yàn)檎麄€(gè)收發(fā)部分都在旋轉(zhuǎn)，所以很容易實(shí)現(xiàn)360°的水平視場角。而轉(zhuǎn)鏡、棱鏡和微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS）等掃描方式的視場角則由掃描鏡對光的反射角度決定。尤其是MEMS掃描方式，由于MEMS微振鏡的口徑有限，激光雷達(dá)的掃描角度范圍也相當(dāng)有限。如果要擴(kuò)大視場角，可以采用凸凹透鏡組成擴(kuò)角系統(tǒng)來進(jìn)行光學(xué)擴(kuò)束，增加視場角[6]。

2.4 距離分辨率

距離分辨率指的是在同一方位上，能分辨的最小距離Δ。

如圖2所示，發(fā)射脈沖的寬度為，當(dāng)兩個(gè)回波脈沖的前沿的時(shí)間間隔Δ=2Δ/≥τ時(shí)，兩個(gè)脈沖不重疊，激光雷達(dá)可以正確分辨兩個(gè)脈沖，反之兩個(gè)回波脈沖重疊，激光雷達(dá)無法分辨兩個(gè)物體。

圖2 回波脈沖示意圖

因此，脈沖雷達(dá)中最小距離分辨率Δ≥/2。

由此可見，降低脈沖寬度有利于提高激光雷達(dá)的距離分辨率。

2.5 水平角分辨率和垂直角分辨率

角分辨率也是激光雷達(dá)的重要參數(shù)，決定了在一定距離時(shí)激光雷達(dá)可以識別的物體的大小。

如圖3所示，假設(shè)激光雷達(dá)的垂直角分辨率為0.08°，即兩個(gè)激光光束之間的角度為0.08°，那么當(dāng)探測距離為200 m時(shí)，兩個(gè)光束之間的距離為200 m×tan0.08°≈0.28 m。也即在200 m之后，障礙物尺寸小于28 cm就有識別不到的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 激光雷達(dá)線束示意圖

垂直角分辨率最直接的決定因素是激光雷達(dá)的線數(shù)，在激光雷達(dá)線束均勻分布的情況下：

垂直角分辨率=垂直視場角/線數(shù) （5）

為了提高線數(shù)，一維掃描方案通常通過堆疊中間區(qū)域的激光器實(shí)現(xiàn)，二維掃描方案的線數(shù)分布可以任意變換，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)感興趣區(qū)域的角度范圍和垂直分辨率大小。

水平角分辨率的計(jì)算公式為

水平角分辨率=視場角×轉(zhuǎn)速/采樣率（6）

由式（6）可見，水平角分辨率與視場角和幀頻相關(guān)，不能在不看這兩個(gè)參數(shù)的情況下單獨(dú)看水平分辨率水平。相同視場角，采樣率一定的情況下，轉(zhuǎn)速越慢水平角分辨率越高。

2.6 點(diǎn)頻

點(diǎn)頻也叫出點(diǎn)數(shù)，指激光雷達(dá)每秒獲取的探測點(diǎn)的總數(shù)目，點(diǎn)頻的計(jì)算公式為

點(diǎn)頻=每幀水平方向平均點(diǎn)數(shù)×

每幀垂直方向平均點(diǎn)數(shù)×幀頻 （7）

對于一維掃描方式，每次掃描垂直方向平均點(diǎn)數(shù)就是其線數(shù)，因此

點(diǎn)頻=（水平視場角/水平分辨率）×線數(shù)×幀頻=

采樣率×線數(shù)×幀頻/轉(zhuǎn)速=采樣率×線數(shù)（8）

從以上公式可以看出，點(diǎn)頻由激光雷達(dá)的采樣率和線數(shù)決定，與幀頻無關(guān)。提高幀頻會使水平分辨率降低，點(diǎn)頻保持不變。用點(diǎn)頻參數(shù)能避免靠降低幀頻提高水平分辨率來取巧。點(diǎn)頻是激光雷達(dá)的核心性能參數(shù)，點(diǎn)頻越多說明激光雷達(dá)對目標(biāo)物的感知能力越好。

2.7 測距精度和測距準(zhǔn)確度

測距精度和測距準(zhǔn)確度兩個(gè)參數(shù)容易相互混淆。測距精度衡量的是測試的重復(fù)性，高精度意味著對同一目標(biāo)的重復(fù)測量的結(jié)果非常接近，低精度意味著測量結(jié)果在均值附近的離散性較大。測距準(zhǔn)確度反映的是測試的距離與其實(shí)際距離的接近程度偏差。

測距精度與激光雷達(dá)的信噪比密切相關(guān)，信噪比高于一定閾值時(shí)，測距數(shù)據(jù)的分布較好地服從正態(tài)分布，隨著信噪比的降低，測試數(shù)據(jù)的分布范圍變大，測試精度降低[7]。

測距準(zhǔn)確度直接正比于飛行時(shí)間的準(zhǔn)確度。

如圖4所示，激光雷達(dá)通過比較發(fā)射和反射脈沖的時(shí)間差來計(jì)算飛行時(shí)間[8]。

圖4 激光雷達(dá)時(shí)間差測試原理

飛行時(shí)間的準(zhǔn)確度取決于發(fā)射、接收脈沖觸發(fā)時(shí)間的準(zhǔn)確度以及內(nèi)部時(shí)鐘晶振的頻率穩(wěn)定度。發(fā)射脈沖、時(shí)鐘穩(wěn)定度由激光雷達(dá)的內(nèi)部電路決定，接收脈沖觸發(fā)時(shí)間準(zhǔn)確度與激光脈沖形狀、目標(biāo)物反射特性以及背景噪聲等因素相關(guān)。

3 結(jié)束語

激光雷達(dá)的應(yīng)用場景多樣，包括測繪、機(jī)器人、無人車、輔助駕駛等，近年來輔助駕駛車載應(yīng)用場景發(fā)展迅速，激光雷達(dá)技術(shù)在不斷完善和迭代。多種因素導(dǎo)致激光雷達(dá)性能的評價(jià)較為復(fù)雜。本文對車載激光雷達(dá)的幾個(gè)關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)而系統(tǒng)的分析，通過對參數(shù)的計(jì)算方法的分析，能夠幫助理解不同參數(shù)之間的關(guān)系，以及性能參數(shù)的決定因素，對理解激光雷達(dá)的性能有重要的指導(dǎo)意義。

[1] 中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會.半導(dǎo)體激光測距儀通用技術(shù)條件:GB/T 29299[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2012.

[2] 兵器國營5308廠.固體脈沖激光測距儀通用規(guī)范: GJB 1324－1991[S] .北京:兵器標(biāo)準(zhǔn)化所,1991.

[3] 中國人民解放軍總裝備司令部. 脈沖激光測距儀性能試驗(yàn)方法:GJB 2241A－2008[S].北京:總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部,2008.

[4] 李慶瑩.激光掃描測距系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2019.

[5] 張合,郭婧,張祥金,等.半導(dǎo)體脈沖激光光斑整形方法研究[J] .南京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2010,34(5):2-3.

[6] 李小寶,王春暉,曲揚(yáng),等.三維成像激光雷達(dá)系統(tǒng)中的微電子機(jī)械系統(tǒng)掃描:掃描視場角與擴(kuò)束[J] .激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2015,52(11):169-174

[7] 姜海嬌,來建成,王春勇,等.激光雷達(dá)的測距特性及其測距精度研究[J].中國激光,2011,38(5):3-6.

[8] 王春勇,謝俊,卞保民,等.提高激光雷達(dá)測距精度的最佳信號門限比[J].激光技術(shù),2007,31(4):2-3.

Key Performance Parameters and Determinants of Vehicle Lidar

CAO Li, SONG Mengyang, LING Jiuhong

( Accelink Technologies Company Limited, Wuhan 430205, China )

In recent years, the development of intelligent vehicles has greatly promoted the popularity of lidar industry. At present, there are more and more companies at home and abroad in the field of lidar. The lidar system is complex. The application scenarios are diverse, and a variety of technical routes coexist. So the evaluation of lidar performance is not simple. In particular, some parameters are easy to be confused, such as detection precision, detection accuracy and detection resolution, frame rate and point rate. In this paper, the key performance parameters of vehicle lidar were selected, and the definitions, calculation methods, interrelations and determinants of these parameters were sorted and summarized, which can help users better use lidar and guide the design of lidar.

Lidar; Keyperformance parameters; Calculation methods; Determinants;Intelligent vehicles

TN951

A

1671-7988(2022)24-196-04

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.024.036

曹麗（1980—），女，碩士，高級工程師，研究方向?yàn)楣怆娮悠骷⒓す饫走_(dá)，E-mail:li.cao@accelink.com。