[首發(fā)于智駕最前沿微信公眾號(hào)]自動(dòng)駕駛技術(shù)自提出以來，激光雷達(dá)就是非常重要的感知硬件，即便到現(xiàn)如今很多技術(shù)方案開始傾向于純視覺時(shí)，依舊有很多的車企堅(jiān)定地選擇激光雷達(dá)。激光雷達(dá)常見的工作方式有脈沖型飛行時(shí)間（Time-of-Flight，TOF）和連續(xù)波調(diào)頻型（Frequency-Modulated Continuous Wave，F(xiàn)MCW）兩種。

圖片源自：網(wǎng)絡(luò)

脈沖型TOF激光雷達(dá)雷達(dá)的工作原理比較直觀，發(fā)射器每隔一段時(shí)間發(fā)出一個(gè)極窄的激光脈沖，遇到障礙物后反射回來，接收器記錄發(fā)射和接收之間的時(shí)間差，再乘以光速的一半，便可得到目標(biāo)距離。這種方式實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡單、測距直觀、脈沖能量集中，其缺點(diǎn)是對(duì)時(shí)間測量精度要求極高，且容易受到環(huán)境光或其他干擾脈沖的影響。目前常見的車規(guī)級(jí)TOF激光雷達(dá)多工作在890 nm～1550 nm波段，不同廠商在脈沖寬度、重復(fù)頻率和接收靈敏度等方面會(huì)有不同的取舍。

FMCW激光雷達(dá)則不依賴短脈沖測時(shí)，而是連續(xù)發(fā)射激光，并讓發(fā)射光的頻率隨時(shí)間線性掃描（即調(diào)頻）。接收到的回波會(huì)與本地參考光進(jìn)行相干混頻，產(chǎn)生“拍頻”信號(hào)。拍頻的頻率反映了發(fā)射與接收之間的頻率差，從而可以推算出目標(biāo)的距離和相對(duì)速度（多普勒信息）。由于FMCW激光雷達(dá)采用相干檢測，在接收微弱回波時(shí)具有增益優(yōu)勢，并能同時(shí)獲取速度信息。因?yàn)橹挥信c本地參考光相干的信號(hào)才能產(chǎn)生有效干涉，外來脈沖通常無法干擾檢測過程，因此，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)對(duì)非相干的外部光源（包括其他車輛的激光信號(hào)）具有天然的抵抗能力。

串?dāng)_的產(chǎn)生原因

隨著搭載激光雷達(dá)的車輛越來越多，很容易出現(xiàn)一個(gè)問題，那便是“串?dāng)_”，所謂“串繞”，就是激光雷達(dá)會(huì)接收到別的激光雷達(dá)發(fā)射出的信號(hào)，導(dǎo)致感知判斷不準(zhǔn)確。

圖片源自：網(wǎng)絡(luò)

TOF激光雷達(dá)發(fā)射的是短暫、重復(fù)的脈沖，這些脈沖在空間中互相穿越、反射和漫散射，有可能被其他車輛的接收器誤認(rèn)為是自身的回波。之所以出現(xiàn)這個(gè)問題，是因?yàn)榻邮掌鳠o法自動(dòng)區(qū)收到的信號(hào)是分自己發(fā)出的脈沖反射回來的信號(hào)還是別人發(fā)出的脈沖直接接收到的信號(hào)。如果接收端僅靠時(shí)間差或脈沖形狀來識(shí)別物體，會(huì)缺乏額外的鑒別機(jī)制，就極易將外來脈沖誤判為有效回波，從而引發(fā)測距錯(cuò)誤、點(diǎn)云丟失或產(chǎn)生虛假點(diǎn)云等情況，也就是會(huì)出現(xiàn)所謂的“串?dāng)_”問題。

串?dāng)_在多車密集行駛時(shí)極易出現(xiàn)，尤其在夜間或視野開闊的長距離場景中會(huì)更加明顯；此外，若同一車輛上安裝的多個(gè)TOF單元之間沒有協(xié)調(diào)好，也會(huì)產(chǎn)生相互干擾的情況。舉個(gè)例子，如果A單元發(fā)出的激光經(jīng)漫反射進(jìn)入B單元的視場，或B的接收窗口在A發(fā)射后仍處于開啟狀態(tài)，串?dāng)_的情況就無法避免。相比之下，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)憑借其相干檢測機(jī)制，對(duì)前一種情況具有天然的抑制能力，但并不能完全“免疫”，具體效果仍取決于實(shí)現(xiàn)方式和硬件設(shè)計(jì)。

TOF激光雷達(dá)常用的抗串?dāng)_方法

為了解決TOF激光雷達(dá)串?dāng)_的問題，有很多技術(shù)方案被提了出來，但核心思路都是讓每個(gè)發(fā)射脈沖“帶有標(biāo)識(shí)”或“在時(shí)間上受控”，以便接收端能夠區(qū)分自身回波和外部干擾。

圖片源自：網(wǎng)絡(luò)

脈沖編碼（編碼發(fā)射）是常見的技術(shù)路線之一。它通過對(duì)每一束激光脈沖按照特定規(guī)則進(jìn)行編碼，接收端再對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解碼運(yùn)算，只有與自身發(fā)射編碼匹配的信號(hào)才被認(rèn)定為有效回波。編碼可采用偽隨機(jī)序列或時(shí)間/相位上的特殊碼型來實(shí)現(xiàn)。編碼的好處是理論上能大幅降低誤認(rèn)概率，尤其是當(dāng)路上有很多激光雷達(dá)時(shí)，互不相干的編碼能區(qū)分不同發(fā)射源。

但編碼也會(huì)對(duì)信噪比和測距能力產(chǎn)生影響，編碼和匹配濾波過程會(huì)將能量在時(shí)間上“展開”，恢復(fù)成原始回波需要做相關(guān)處理，這一方式在低反射率目標(biāo)或遠(yuǎn)距離場景下，就會(huì)犧牲一定的靈敏度或會(huì)影響最大測程。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)需在編碼長度、碼速率、發(fā)射功率和探測器積分時(shí)間之間進(jìn)行平衡。

時(shí)間復(fù)用與接收門控是另一種防“串?dāng)_”方案，這一方案就是將不同單元或不同車輛的發(fā)射時(shí)間錯(cuò)開，或僅在預(yù)計(jì)回波到達(dá)的時(shí)間窗口內(nèi)開啟接收器。對(duì)于同一車輛上的多個(gè)TOF單元，這種方法會(huì)非常有效，通過統(tǒng)一時(shí)鐘精確安排發(fā)射和接收窗口，可以大幅過濾掉相互之間的漫反射干擾。這一方案需依靠硬連線的同步時(shí)鐘、PPS（每秒脈沖）或?qū)Ｓ玫耐娇偩€來實(shí)現(xiàn)，而不能僅靠單純的無線時(shí)間協(xié)商。門控方式其實(shí)也存在風(fēng)險(xiǎn)，如果目標(biāo)距離超出預(yù)期或反射路徑異常，回波可能落在接收窗口之外，造成數(shù)據(jù)丟失；此外，若其他車輛恰好在自身接收窗口內(nèi)發(fā)射，仍有可能產(chǎn)生干擾。

還有一種相對(duì)簡單的方法是采用隨機(jī)化的發(fā)射時(shí)序，或在幀結(jié)構(gòu)中引入時(shí)間抖動(dòng)。通過給固定重復(fù)頻率的脈沖加入隨機(jī)時(shí)間偏移，可以降低長期周期性重合的概率，將固定節(jié)奏的干擾轉(zhuǎn)化為隨機(jī)噪聲。這一方案的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡便、兼容現(xiàn)有硬件；缺點(diǎn)是無法從根本上區(qū)分外來回波，僅能在概率上平均化沖突，對(duì)于高密度場景效果有限。

除了上面提及的方案，還可以從光學(xué)和硬件層面進(jìn)行抑制。比如使用窄帶光學(xué)濾波器濾除環(huán)境背景光和非目標(biāo)波段的光，但如果是同波段的其它雷達(dá)信號(hào)，這一方法也是無效的；還有就是通過光學(xué)方向性設(shè)計(jì)、物理遮擋或機(jī)械隔柵減少來自側(cè)向或反射路徑的干擾，但這可能限制探測視場。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，可以設(shè)置接收門限或多幀驗(yàn)證機(jī)制（例如僅保留在多幀中穩(wěn)定出現(xiàn)的點(diǎn)），從而在點(diǎn)云后處理階段剔除孤立的虛假點(diǎn)。

FMCW激光雷達(dá)的抗串?dāng)_優(yōu)勢

由于FMCW激光雷達(dá)依賴相干檢測，接收端將回波與本地參考光混頻，只有頻率和相位相干的信號(hào)才能產(chǎn)生穩(wěn)定的拍頻并被檢測。外來的非相干激光發(fā)射（尤其是短脈沖）是無法與本地參考光形成穩(wěn)定干涉，因此不會(huì)被誤認(rèn)為有效回波。正因如此，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)在識(shí)別“自身回波”方面比TOF激光雷達(dá)更具先天辨別力。

FMCW激光雷達(dá)在抗串?dāng)_方面的確存在優(yōu)勢，但為什么沒有成為主流？FMCW的實(shí)現(xiàn)需要高質(zhì)量、線性可控的調(diào)頻光源和穩(wěn)定的本地振蕩器，相干檢測也對(duì)相位和頻率噪聲敏感，因此，其硬件成本和復(fù)雜度會(huì)高于簡單的TOF系統(tǒng)。在極少數(shù)特殊情況（如兩個(gè)相干源同時(shí)存在，或外來連續(xù)波頻率軌跡巧合）下，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)還是有可能會(huì)出現(xiàn)干擾。此外，F(xiàn)MCW的測距與測速信息是耦合的，處理算法和數(shù)字信號(hào)處理要求會(huì)更高。也就是說，F(xiàn)MCW激光雷達(dá)在密集場景下魯棒性更佳，但代價(jià)是更高的成本與算法復(fù)雜度，這對(duì)于想要大面積商用化落地的車企來說，是需要考量成本的。

軟件層面的補(bǔ)救與傳感器融合

無論是TOF還是FMCW，僅靠硬件難以覆蓋所有場景，軟件設(shè)計(jì)是不可或缺的補(bǔ)充。在軟件層面，可采用包括點(diǎn)云級(jí)的異常點(diǎn)檢測、時(shí)間一致性校驗(yàn)、多幀累積判斷，以及與其他傳感器（如攝像頭、毫米波雷達(dá)、IMU/GNSS）進(jìn)行融合等方式，以評(píng)估疑似虛假點(diǎn)的可信度。舉個(gè)例子，如果激光點(diǎn)云中出現(xiàn)孤立的“飛點(diǎn)”，在單幀中出現(xiàn)、缺乏速度場支持，且攝像頭也未捕捉到對(duì)應(yīng)物體，則可以將其標(biāo)記為低置信度信號(hào)，并予以忽略。通過多模態(tài)融合，可以進(jìn)一步降低因串?dāng)_導(dǎo)致的誤檢風(fēng)險(xiǎn)。

此外，機(jī)器學(xué)習(xí)方法也被用于識(shí)別和濾除串?dāng)_產(chǎn)生的偽點(diǎn)。基于時(shí)空特征訓(xùn)練的分類器可以學(xué)習(xí)串?dāng)_點(diǎn)的典型模式（如在時(shí)序上突發(fā)、在空間上孤立、反射強(qiáng)度不符合物理規(guī)律等），進(jìn)而在運(yùn)行時(shí)降低這些點(diǎn)的權(quán)重。這種方法需要足夠的訓(xùn)練樣本以保證泛化能力，并需注意避免將罕見的真實(shí)小目標(biāo)誤判為串?dāng)_。

最后的話

激光雷達(dá)串?dāng)_是隨著裝車密度增加而會(huì)日益顯著的問題。TOF激光雷達(dá)因其脈沖特性更容易受到串?dāng)_影響，而FMCW在原理上對(duì)外來脈沖干擾更具抵抗力，但實(shí)現(xiàn)也會(huì)復(fù)雜度高、成本更高。

審核編輯 黃宇