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知識帖 | 雨霧環境下的激光雷達究竟如何工作?

2019年11月18日

前言——激光雷達(LiDAR,英文“Light Detection and Ranging“的縮寫)起源于上世紀60年代。1971年阿波羅15號任務期間,被用于月球表面繪制工作,光學雷達首次進入公眾視野。在近半個世紀內不斷發展,被廣泛應用于測繪、無人機、安防等行業。


優勢●

激光雷達是通過主動發射激光束及接受信號實現測探測功能的高精度傳感器,其利用光學原理(光的傳播速度很快)而實現的高效探測使得激光雷達在測距精度,響應速度及測距穩定性等方面都存在一定的優勢。


劣勢●

無論光學、聲學還是電學,都存在技術本身的劣勢。由于采用可見光或近紅外外作為探測媒介,光在傳播過程中易受到懸浮在空氣中的粉塵或水滴的影響,因此激光雷達在雨雪霧霾天、沙塵暴等惡劣天氣中表現欠佳。


針對此種情況,多次回波技術可以對激光雷達的數據進行修正,在雨霧等惡劣天氣下也能保持較穩定的探測性能。


一、

多次回波探測(Multi Echo)定義

激光脈沖在傳播過程中遇到距激光發射源不同距離的障礙物時會發生多次反射,只要回波信號的強度足以被接受并且回波信號的間距滿足一定的條件,就可以被記錄并獲得該次反射所測得的距離。


一束激光脈沖在傳播過程中被多次反射,每次反射距離不同,光敏系統按一定時間間隔接收并解析到從不同距離反射回來的激光脈沖,這樣就可以利用一束激光測得兩次以上的距離值

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圖1 多次回波測量示意圖


假設雨霧和被測車輛之間的距離為L,雨霧回波信號Echo1的脈寬為Δt,只有當雨霧與被測車輛之前的間距S>V光速×Δt/2時,雨霧和車輛的回波信號Echo1和Echo2才能被區分開,雷達能測到兩個目標,通過算法處理,得到被測車輛的準確距離。另外距離越近,雨霧的回波信號Echo1越強,因此一般雨霧只會形成一次可以探測到的回波信號,并非雨霧環境下全程都有回波信號。


現實生活中,絕大多數常規場景下,主要產生的為二次回波,三、四回波的情況相對較少,五次及以上的回波出現的概率近乎為零。在一些特殊場景中,如森林地區、莊稼地、草原等,多次回波出現的頻率會大大增加。綜合來看,激光雷達中使用的多為二次回波技術來實現雨霧穿透。


二、

北醒TF03激光雷達結合雨霧算法效果展示

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圖2 多次回波測試場景


搭建簡易測試場景對多次回波技術的效果進行驗證,實驗中使用三角架支撐TF03激光雷達,在降雨量較大時對應開啟/關閉多次回波測量結果見如下對比圖:


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圖3 使用多次回波測試效果


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圖4 無多次回波測試效果


根據測試結果,開啟多次回波后,測量誤差顯著減小,LiDAR可穿透一定程度水霧。同理,根據多次回波技術獲取到的數據,結合特定的濾波算法,激光雷達同樣可實現一定程度的雨雪霧霾塵穿透


三、

技術落地應用

截至目前,結合雨霧算法(多次回波探測技術)的北醒TF03激光雷達已成功應用于國內上海某交通流量檢測項目、國內上海某高速車速檢測項目等項目。這款重量僅為77g,探測距離可達180m(量程可定制),頻率高達10KHz的激光雷達,已實現在室外安全運行至少7200h,最先在交通行業落地。


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圖4  上海某交通流量檢測項目-圖中藍色效果為雷達探測效果示意圖


目前國內外主流激光雷達量程范圍在100m左右,由于室外雨霧環境干擾,量程和穩定性便會大大削弱。而多次回波探測技術的發展和應用,有利于提高激光雷達的實際性能。北醒激光雷達在保證硬件實力過硬的基礎上(IP67防護等級或更強),積極投入大量資源在研發算法和軟件能力上,致力于在室外固定翼無人機定高、智能交通流量檢測、周界安防等應用。


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圖5 北醒TF03系列和TF350長距激光雷達


關于北醒

北醒專注于固態激光雷達(智能傳感器—TF測距傳感器系列、CE30 3D傳感器系列)的研發與生產,產品可廣泛應用于無人駕駛、無人機、機器人、AGV、智能交通、工業自動化、物聯網等領域。


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北醒公眾號,北醒激光雷達


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