Der Ursprung von LiDAR lässt sich bis in die 1960er Jahre zurückverfolgen. 1960, nach der Erfindung des Rubinlasers, begann sich die LiDAR-Technologie schrittweise zu entwickeln. Im Jahr 1962 maß das Massachusetts Institute of Technology erfolgreich die Entfernung zwischen der Erde und dem Mond mithilfe von LiDAR, und seitdem wurde der potenzielle Wert von LiDAR von Wissenschaftlern immer wieder entdeckt. LiDAR wurde erstmals in Automobilen in einem unbemannten Fahrzeugeinsatz eingesetzt, und seitdem hat sich fahrzeugmontiertes LiDAR im Bereich des intelligenten Fahrens rasant weiterentwickelt.
Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei LiDAR um ein Radar, das im optischen Frequenzband arbeitet. Dabei handelt es sich um ein Radarsystem, das durch die Aussendung von Laserstrahlen den Standort, die Geschwindigkeit und andere charakteristische Größen des Ziels erfasst. Sein Arbeitsprozess besteht darin, zunächst ein elektromagnetisches Wellenerkennungssignal im optischen Frequenzband in Richtung des Zielobjekts auszusenden und dann das vom Ziel reflektierte empfangene Signal, also dasselbe Wellensignal, mit dem gesendeten Signal zu vergleichen und eine entsprechende Verarbeitung durchzuführen um den Standort, den Bewegungszustand und andere charakteristische Informationen des Ziels zu erhalten und so die Erkennung und Identifizierung des Ziels zu realisieren. Die maximale Erkennungsentfernung beträgt 200 Meter. Im Vergleich zum Millimeterwellenradar kann LiDAR neben der Position und Geschwindigkeit von Hindernissen auch die dreidimensionalen Formeigenschaften von Hindernissen ermitteln. Daher kann LiDAR auch eine dreidimensionale Modellierung der Fahrzeugumgebung durchführen und verschiedene dynamische und statische Hindernisse identifizieren.
Die LiDAR-Technologie gilt international als Grundlage intelligenter Fahrtechnik. Um bessere Testergebnisse zu erzielen, hat sich das optische System von LiDAR zu einem Forschungs-Hotspot entwickelt. LiDAR kann umfangreiche Umgebungsinformationen liefern, was auch die Fähigkeit zur automatischen Hindernisvermeidung beim intelligenten Fahren erheblich verbessert. LiDAR ist ebenfalls eine fortschrittliche Detektionsmethode, die Lasertechnologie mit moderner photoelektrischer Detektionstechnologie kombiniert. Es kann in Sendesystem, Empfangssystem, Scansystem und Informationsverarbeitung unterteilt werden.
Laser als Übertragungssystem bestehen im Allgemeinen aus Kohlendioxidlasern, Halbleiterlasern, Festkörperlasern mit abstimmbaren Wellenlängen und einigen optischen Strahlaufweitungseinheiten; Das Empfangssystem verwendet im Allgemeinen ein Teleskop und verschiedene Arten von fotoelektrischen Detektoren, wie z. B. Fotovervielfacherröhren, Halbleiterfotodioden, Lawinenfotodioden sowie Multielement-Detektionsgeräte für Infrarot- und sichtbares Licht. LiDAR verwendet zwei Arbeitsmodi: Puls oder Dauerstrich. Die Detektionsmethode kann entsprechend den verschiedenen Detektionsprinzipien in Mie-Streuung, Rayleigh-Streuung, Raman-Streuung, Brillouin-Streuung, Fluoreszenz, Doppler und andere Laserradare unterteilt werden.
Wie erreicht LiDAR also die Entfernungsmessung? Wir wissen, dass der wichtigste Teil der LiDAR-Entfernungsmessung der Prozess der Laseremission und -reflexion ist. Anschließend kann die Entfernung des Ziels berechnet werden, indem die spezifische Zeit dieses Vorgangs, also die Zeit des fliegenden Lasers, gemessen wird. Anschließend kann es entsprechend den Emissionssignalen verschiedener Laser in Pulslaser-Entfernungsmessung und Phasenlaser-Entfernungsmessung unterteilt werden.
Bei der gepulsten Laserentfernungsmessung bedeutet LiDAR einfach, dass das Zeitintervall zwischen der Emission eines vom Messobjekt reflektierten Laserstrahls und dem Empfang durch den Empfänger aufgezeichnet wird. Anhand der bekannten Lichtgeschwindigkeit kann die gemessene Entfernung berechnet werden. Die spezifische Berechnungsbeziehung ist wie folgt:
D=CT/2 (1)
Wobei: D der Erkennungsabstand ist; T ist die Flugzeit; C ist die Lichtgeschwindigkeit. Bei der Phasenlaserentfernungsmessung besteht das Problem der Amplitudenmodulation des Lasersignals. Die Amplitude des modulierten Lichts ändert sich im Laufe der Zeit periodisch. Daher können wir die Emissions- und Reflexionsphasenänderungen des modulierten Lasers messen, um Informationen über Zeit und Entfernung zu erhalten. Das Laserradar dreht sich mit konstanter Geschwindigkeit und einer bestimmten Geschwindigkeit und sendet kontinuierlich Infrarotlaser aus, während es Lasersignale von Reflexionspunkten empfängt, einschließlich Informationen wie Entfernung, Zeit und horizontalem Winkel des Reflexionspunkts. Wir verwenden mehrere Sender, um unterschiedlichen vertikalen Winkeln zu entsprechen, und verwenden dann diese variablen Daten, um die Standortinformationen des entsprechenden Reflexionspunkts zu erhalten. Wir sammeln die Koordinaten aller Reflexionspunkte, die das Laserradar nach einer 360-Grad-Rotation in einer Punktwolke erfasst, und können dann umfassende Umweltinformationen erhalten.
Die gängigen Laserradare auf dem Markt verfügen mittlerweile über viele Komponenten und unterschiedliche technische Optionen für jede Komponente, sodass ihre entsprechenden Auswirkungen und Kosten natürlich unterschiedlich sind. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Strukturen können fahrzeugmontierte Laserradare in mechanisch rotierende Laserradare, hybride halbfeste Laserradare und vollständig festkörperbasierte Laserradare unterteilt werden. Die mechanische rotierende Laserradartechnologie ist relativ traditionell und ausgereift. Seine Vorteile bestehen darin, dass er ein horizontales 360-Grad-Sichtfeldscannen der Umgebung erreichen kann und seine Entfernungsreichweite relativ lang ist. Die Ausrüstung ist jedoch groß und der Zusammenbau und das Debuggen sind relativ kompliziert. Die Kosten sind hoch und der Produktionszyklus lang. Auch die Lebensdauer mechanischer Komponenten kann nur schwer den Anforderungen der Automobilindustrie gerecht werden. Hybride Festkörperlaserradare sind hauptsächlich MEMS-Laserradare (Mikrovibrationsspiegel), und Festkörperlaserradare sind hauptsächlich Flash-Laserradare (Flutlicht-Array) und OPA-Laserradare (Optical Phased Array). Unter anderem zeichnen sich MEMS-Laserradare durch geringe Größe, niedrige Kosten und einfache Massenproduktion aus, was sie zu den am weitesten verbreiteten Technologieprodukten für aktuelle autonome Fahrzeuge macht.
Tatsächlich reicht es bei weitem nicht aus, sich für intelligentes Fahren auf Laserradar zu verlassen. Wenn unbemannte Fahrzeuge komplexen Straßenverhältnissen ausgesetzt sind, ist eine große Anzahl von Sensoren erforderlich, um die Straßenverhältnisse in Echtzeit zu erfassen und zentral zu verarbeiten, damit das Fahrzeug eine umfassende Analyse durchführen und eine Entscheidung treffen kann. Natürlich kann ein einzelner Sensor desselben Typs die Anforderungen unbemannter Fahrzeuge zur Analyse von Straßenzustandsinformationen nicht erfüllen. Je komplexer die Straßenumgebung, desto mehr unterschiedliche Sensortypen mit ihren jeweiligen Vorteilen werden benötigt.
Die aktuelle Hardware für autonomes Fahren auf L2-Ebene verwendet größtenteils ein Design, das aus Kameras, Millimeterwellenradargeräten und Ultraschallradargeräten besteht. Der Vorteil der Kamerakomponente besteht unter anderem darin, dass sie Straßenhindernisse klar erkennen kann, die Kamera jedoch tatsächlich von der Lichtintensität beeinflusst wird; Ultraschallradar ist das Rückfahrradar, das wir im täglichen Leben häufig verwenden. Sein Messabstand ist kurz und er wird leicht durch das Wetter beeinflusst; Millimeterwellenradar hat eine starke Fähigkeit, Rauch zu durchdringen, sodass es die Mängel der Kamera gut ausgleichen kann und eher zur Überwachung des toten Winkels und zur Spurwechselunterstützung eingesetzt wird. Obwohl es in Umgebungen mit starkem Licht funktioniert und sich an relativ schlechte Wetterbedingungen anpassen kann, ist seine Beurteilungsgenauigkeit schlechter.
Daher kann LiDAR den spezifischen Umriss, die Entfernung und andere Informationen von Hindernissen genauer erkennen und wird Hindernisse vor dem Fahrzeug im Allgemeinen nicht falsch einschätzen oder übersehen. Der effektive Erkennungsabstand von LiDAR ist ebenfalls größer als bei den beiden vorherigen. Theoretisch kann ein ausreichend großer Erkennungsabstand dem Fahrzeuginformationsverarbeitungszentrum mehr Reaktionszeit verschaffen.
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