【牛车实验室】趣味解读毫米波雷达/激光雷达 自动驾驶的“电子眼”

自动驾驶从概念化走向现实世界似乎非常迅速，对于自动驾驶的定义，简单来说就是对大量交通数据进行运算，最终得到最优的行车路线和速度，车辆实现无人干预的自动行驶。但是最关键的技术难点却在于获取数据，所以雷达变成了自动驾驶不可或缺的硬件。自动驾驶汽车通过雷达将复杂的交通数据全部捕获。目前来说汽车上常见的雷达有两种，分别是毫米波雷达和激光雷达。

雷达是一个熟悉又陌生的词，是英文Radar的音译，源于radio detection and ranging的缩写，意思为"无线电探测和测距"，即用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置。所以，雷达也被称为“无线电定位”。雷达是利用电磁波探测目标的电子设备。雷达发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息。

毫米波雷达

首先大家要明白什么是毫米波，毫米波实质上就是电磁波。毫米波的频段比较特殊，其频率高于无线电，低于可见光和红外线，频率大致范围是10GHz—200GHz。这是一个非常适合车载领域的频段。当前，比较常见的车载领域的毫米波雷达频段有三类。

A、24GHz，这个频段目前大量应用于汽车的盲点监测、变道辅助。雷达安装在车辆的后保险杠内，用于监测车辆后方两侧的车道是否有车、可否进行变道。这个频段也有缺点，首先是频率比较低，另外就是带宽比较窄，只有250MHz。

B、77GHz，这个频段的频率比较高，国际上允许的带宽高达800MHz。这个频段的雷达性能要好于24GHz的雷达，所以主要用来装配在车辆的前保险杠上，探测与前车的距离以及前车的速度，实现的主要是紧急制动、自动跟车等主动安全领域的功能。

C、79GHz，这个频段最大的特点就是其带宽非常宽，要比77GHz的高出3倍以上，这也使其具备非常高的分辨率，可以达到125px。

雷达的振荡器会产生一个频率随时间逐渐增加的信号，这个信号遇到障碍物之后，会反弹回来，其时延是2倍距离/光速。返回来的波形和发出的波形之间有个频率差，这个频率差和时延是呈线性关系的：物体越远，返回的波收到的时间就越晚，那么它跟入射波的频率差值就越大。将这两个频率做一个减法就可得到二者频率的差频，通过判断差拍频率的高低就可以判断障碍物的距离。

精准度高，抗干扰能力强，则探测距离远 。呈广角探测 ，探测范围广，作用时速可达到120码以上，全天候工作，雨雪雾霾沙尘暴等恶劣天气均能开启正常使用。穿透能力强，安装也可完全隐蔽，不影响车辆整体外观，所以毫米波雷达技术更适用于汽车防撞领域。

激光雷达

激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。其工作原理是向目标发射探测激光信号，然后将接收到的从目标反射回来的信号与发射信号进行比较，作适当处理后就可获得目标的有关信息：如目标距离、方位、高度、速度、姿态、形状等参数，从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。整套系统由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成，激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，送到显示器。

激光雷达的工作原理与雷达相近，以激光作为信号源，由激光器发射出的脉冲激光，打到地面的树木、道路、桥梁和建筑物上，引起散射，一部分光波会反射到激光雷达的接收器上，根据激光测距原理计算，就得到从激光雷达到目标点的距离，脉冲激光不断地扫描目标物，就可以得到目标物上全部目标点的数据，用此数据进行成像处理后，就可得到精确的三维立体图像。

激光雷达最基本的工作原理与无线电雷达没什么区别，由雷达发射系统发送一个信号经目标反射后被接收系统收集，通过测量反射光的运行时间而确定目标的距离。至于目标的径向速度，可由反射光的多普勒频移来确定，也可测量两个或多个距离，并计算其变化率而求得速度，这也是直接探测型雷达的基本工作原理。

虽然精度高稳定性强，但激光雷达通过发射光束进行探测，所以探测范围窄，光束受遮挡后就无法正常使用，因此在雨雪雾霾天，沙尘暴等恶劣天气不能开启受环境影响很大，没有穿透能力。探头必须完全外露才能达到探测效果，对于安装车辆来说影响车辆外形美观。

总结毫米波雷达和激光雷达之区别

毫米波雷达从上世纪起就已在高档汽车中使用，技术相对成熟。毫米波的波长介于厘米波和光波之间，因此毫米波兼有微波制导和光电制导的优点，且其引导头具有体积小、质量轻和空间分辨率高的特点。毫米波导引头穿透雾、烟、灰尘的能力强，相比于激光雷达是大优势。毫米波雷达的缺点也十分直观，探测距离受到频段损耗的直接制约，想要探测的远就必须使用高频段雷达，也无法感知行人且对周边所有障碍物无法进行精准的建模。

激光雷达主要是通过发射激光束来探测周围的环境，车载激光雷达普遍采用多个激光发射器和接收器，建立三维点云图达到实时环境感知的目的。目前传统激光雷达技术已经很成熟，而固态激光雷达和混合固态激光雷达尚处于起步阶段，因此各企业当前在自动驾驶汽车使用的激光雷达多以机械式激光雷达为主。激光雷达的优势在于其探测范围更广，探测精度更高。但是缺点也很明显：在雨雪雾等极端天气下性能较差、采集的数据量过大、成本太高。

二者虽然自身都有着不同的优缺点，单独工作也很难完成自动驾驶任务，所以目前的自动驾驶车辆都是用两者结合，既可以弥补对方的缺点，还能节约成本。