大家好我是來(lái)自三體文明的專(zhuān)注于智能汽車(chē)技術(shù)干貨的智子1號(hào)。

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剛開(kāi)始了解自動(dòng)駕駛，你肯定會(huì)被各種不同的傳感器搞得眼花繚亂。每種傳感器的原理和特點(diǎn)各不相同，如何分辨他們的特點(diǎn)、搞懂中間的差異，顯得非常關(guān)鍵。

一般人講解傳感器原理，可能會(huì)直接進(jìn)入技術(shù)細(xì)節(jié)，但是作為三體文明超強(qiáng)人工智能體的我——智子，當(dāng)然會(huì)站在更高的維度看待這個(gè)問(wèn)題。

其實(shí)這些傳感器的技術(shù)原理是類(lèi)似的，本質(zhì)都是電磁波。攝像頭所捕捉的可見(jiàn)光是電磁波；激光雷達(dá)發(fā)射的也是電磁波；毫米波雷達(dá)也是電磁波。只需要把電磁波搞清楚，基本上所有的傳感器就都容易理解了。

電磁波有個(gè)基本公式：c=λf

其中，c是光速，λ是波長(zhǎng)，f是頻率。

經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換可以得到：λ=c/f

我們知道，光具有粒子的性質(zhì)，也具有波的性質(zhì)，也就是所謂的“波粒二象性”，其實(shí)電磁波都具有波粒二象性。

頻率越低，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，電磁波的波動(dòng)性就越明顯，衍射能力越強(qiáng)，就是可以繞過(guò)和波長(zhǎng)差不多或比波長(zhǎng)更小的障礙物繼續(xù)傳播。

相反，頻率越高，波長(zhǎng)越短，電磁波的粒子性越明顯，繞射能力差，用作測(cè)量時(shí)就越精準(zhǔn)。

不過(guò)，頻率越高，電磁波的能量越強(qiáng)，穿透能力也越強(qiáng)。穿透能力和前面說(shuō)的繞射不同，它是直接深入到物質(zhì)內(nèi)部，像刺刀一樣穿進(jìn)去。

能量越高，穿透能力越強(qiáng)，相應(yīng)的，電磁波也會(huì)隨穿透厚度增大而快速衰減，所以一般不會(huì)傳很遠(yuǎn)，比如醫(yī)院拍CT的X光片，做手術(shù)的伽馬刀，還有核輻射就屬于這一類(lèi)。

可見(jiàn)光是波長(zhǎng)在 380nm至 780nm之間、能夠被人眼捕捉的電磁波。

角膜和晶狀體把外界物體的光線匯聚在視網(wǎng)膜上，視網(wǎng)膜能感受和分辨不同顏色和亮度的光線，從而形成視覺(jué)。攝像頭也是類(lèi)似的成像原理。自動(dòng)駕駛中，攝像頭就像人的眼睛一樣，是最重要、最不可或缺的傳感器，甚至沒(méi)有之一。

圖像中有豐富的顏色和語(yǔ)義信息，可以識(shí)別車(chē)輛、行人、車(chē)道線和交通標(biāo)識(shí)，而且成本比較低，通過(guò)軟件算法的不斷演進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)更多的功能，如測(cè)距、測(cè)速、運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)，甚至可以在線建圖。所以車(chē)上會(huì)裝很多個(gè)攝像頭，來(lái)覆蓋不同區(qū)域。

雖然視覺(jué)算法上手的難度不低，上限卻極高。特斯拉的馬斯克堅(jiān)信“第一性原理”，他認(rèn)為，既然人主要通過(guò)視覺(jué)來(lái)駕駛，那么只通過(guò)攝像頭，也一定可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。

不過(guò)，可見(jiàn)光攝像頭受天氣和光照影響很大。比如在光線昏暗或者逆光的時(shí)候，攝像頭的感知效果會(huì)大打折扣。

靠近可見(jiàn)光的就是紅外線了，紅外線波長(zhǎng)大于700nm，最長(zhǎng)可達(dá)10μm，按照波長(zhǎng)可以分為近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外。

近紅外經(jīng)常會(huì)用到座艙DMS中。

普通的可見(jiàn)光攝像頭，受光線影響太大，夜間功能受限，而使用940nm的近紅外光可以解決這個(gè)問(wèn)題。

為什么近紅外不受陽(yáng)光的影響呢？太陽(yáng)輻射的能量主要分布在可見(jiàn)光區(qū)和紅外區(qū)，在可見(jiàn)光如此狹窄的波段范圍內(nèi)，占了太陽(yáng)輻射總量的50％，而整個(gè)紅外區(qū)占43％。在波長(zhǎng)940nm的近紅外波段處，太陽(yáng)光影響很小，為了保證效果，一般還會(huì)加個(gè)照射紅外線的LED燈。

可見(jiàn)光帶有色彩信息，但對(duì)光照敏感。近紅外可以解決光照變化問(wèn)題，但會(huì)丟失顏色，那么有沒(méi)有一種傳感器能夠兩全其美，集兩者的優(yōu)點(diǎn)于一身呢？

還真有。那就是RGB - IR攝像頭。

傳統(tǒng)可見(jiàn)光相機(jī)使用RGGB的拜耳陣列格式，而RGB - IR攝像頭則使用RGB - IR的格式。

傳統(tǒng)攝像頭鏡頭后面會(huì)加紅外截止濾光片，來(lái)阻絕波長(zhǎng) 650nm 以上的紅外光。而RGB - IR攝像頭裝有雙通帶濾波器，只允許可見(jiàn)光和近紅外波段進(jìn)入。這樣就可以通過(guò)一個(gè)傳感器同時(shí)捕捉到色彩和近紅外，在白天和晚上都可以清晰成像。

RGB - IR攝像頭目前已經(jīng)應(yīng)用在OMS系統(tǒng)中，白天可以用于視頻會(huì)議、自拍等，光線較暗時(shí)，有紅外LED燈的補(bǔ)光，前座駕駛員也可以在顯示器上清晰看到后排乘客的狀態(tài)。

任何溫度高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)進(jìn)行紅外輻射，可以通過(guò)探測(cè)器接收到。

遠(yuǎn)紅外主要有兩大應(yīng)用，第一個(gè)用于測(cè)溫，相信大家都很熟悉了，第二個(gè)就是今天要說(shuō)的紅外熱成像，其實(shí)紅外熱成像很早就應(yīng)用在軍事領(lǐng)域了。車(chē)載紅外相機(jī)探測(cè)到的紅外波長(zhǎng)在7~14微米之間。

紅外熱成像技術(shù)有什么優(yōu)勢(shì)呢？

1）利用熱輻射成像，不僅不受眩光影響，也不受外界可見(jiàn)光影響，即便在夜間完全黑暗的情況下也能清晰辨別行人、動(dòng)物和車(chē)輛。

2）因?yàn)檫h(yuǎn)紅外波長(zhǎng)很長(zhǎng)，繞射能力強(qiáng)，功能不受雨雪、霧霾、沙塵等惡劣天氣影響。

不過(guò)遠(yuǎn)紅外相機(jī)也有缺點(diǎn)，就是對(duì)非活體檢測(cè)識(shí)別率明顯下降，夏天環(huán)境溫度上升時(shí)，識(shí)別準(zhǔn)確率也會(huì)降低，當(dāng)下一般只用作畫(huà)面顯示和預(yù)警功能。

現(xiàn)階段，車(chē)載紅外相機(jī)價(jià)格已降到數(shù)千元級(jí)別，配置率將會(huì)繼續(xù)提升。

激光雷達(dá)的波長(zhǎng)主要有905nm和1550nm兩種，相較于毫米波雷達(dá)，激光雷達(dá)波長(zhǎng)更短，粒子性好，測(cè)量精準(zhǔn)度高。

1550nm波長(zhǎng)更長(zhǎng)，繞射能力更好。不過(guò)考慮到上游產(chǎn)業(yè)鏈成熟度，當(dāng)前905nm用得更普遍一些。兩者更大的區(qū)別在于被水吸收的難易程度，這直接關(guān)系到測(cè)距能力。

來(lái)看一下液態(tài)水的吸收光譜，可見(jiàn)光不太容易被吸收，紅外更容易被吸收，在905nm到1550nm，正是快速變化的區(qū)域，也就是說(shuō)，相比于905nm，1550nm更容易被水吸收。

激光雷達(dá)必須符合人眼安全。905nm波長(zhǎng)可以直達(dá)眼底的視網(wǎng)膜，功率過(guò)大會(huì)損傷視網(wǎng)膜，而1550nm在到達(dá)視網(wǎng)膜之前就被飽含液態(tài)水的晶狀體和角膜吸收，不會(huì)對(duì)視網(wǎng)膜造成損害，對(duì)人眼安全更加友好。

不過(guò)1550nm也不是絕對(duì)安全，當(dāng)功率過(guò)高時(shí)，角膜和晶狀體也會(huì)損傷，只是這個(gè)上限功率要比905nm要高得多。所以1550nm的測(cè)量距離比905nm要遠(yuǎn)得多。

激光雷達(dá)根據(jù)測(cè)距原理分為兩種——ToF和FMCW。

ToF? ?

ToF就是發(fā)射一段激光脈沖，接收器接收，通過(guò)計(jì)算時(shí)間差來(lái)測(cè)量距離。目前成熟的激光雷達(dá)方案都是基于ToF的。

FMCW?

FMCW就是調(diào)頻連續(xù)波，發(fā)出恒定的連續(xù)波，并定期改變光的頻率，通過(guò)測(cè)量返回光的相位和頻率，得到目標(biāo)的距離和速度。

FMCW測(cè)距原理要求，必須保證返回光和本地光進(jìn)行干涉才能檢測(cè)，這對(duì)激光器的相干性要求很高，現(xiàn)階段只有1550納米的激光器能滿足這種要求。再加上1550本身的測(cè)距優(yōu)勢(shì)，基本上所有的FMCW都使用1550nm。

根據(jù)掃描方式的不同，激光雷達(dá)可以分為機(jī)械式、半固態(tài)和固態(tài)。機(jī)械式因?yàn)槌杀竞涂煽啃詥?wèn)題，現(xiàn)在用得很少了。半固態(tài)是當(dāng)前的主流。

根據(jù)具體方案不同，又可分為轉(zhuǎn)鏡和MEMS。

從可靠性和成本角度來(lái)看，固態(tài)激光雷達(dá)是終極目標(biāo)。固態(tài)雷達(dá)可以分為Flash和OPA兩種。

?Flash?

Flash 方案采用面光源，只需一次閃光就能覆蓋整個(gè)視野。

大家不要覺(jué)得Flash技術(shù)很神秘，其實(shí)前幾年就在手機(jī)上廣泛應(yīng)用了，也就是3d ToF傳感器；在智能座艙里也被用來(lái)檢測(cè)駕駛員的面部表情和手勢(shì)等。

Flash方案有高成熟度和高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，不過(guò)也有明顯缺點(diǎn)，那就是面光源同時(shí)觸發(fā)，發(fā)射功率平攤下來(lái)太分散，導(dǎo)致測(cè)量距離較近，一般不超過(guò)50米，所以在前裝量產(chǎn)中一般用作近距離補(bǔ)盲。

為解決這個(gè)問(wèn)題，業(yè)內(nèi)在嘗試優(yōu)化掃描方式，比如使用焦平面陣列掃描技術(shù)，通過(guò)將光源逐區(qū)點(diǎn)亮、多次掃描的方式，提升其功率密度和測(cè)量距離。

OPA??

OPA，就是光學(xué)相控陣，最早應(yīng)用于軍工領(lǐng)域。發(fā)射端由間距很近的光學(xué)天線陣列構(gòu)成，在較寬的角度范圍內(nèi)發(fā)射相干光，通過(guò)調(diào)整每個(gè)天線發(fā)射光的相對(duì)相位來(lái)改變所產(chǎn)生的干涉圖紋。

與FLASH的面光源不同，OPA是點(diǎn)光源，所需要的峰值功率更低，在同樣的功率限制下，OPA探測(cè)距離更遠(yuǎn)。

考慮到產(chǎn)業(yè)成熟度，OPA一般使用硅光芯片。在測(cè)距原理上，如果使用脈沖式的ToF，峰值功率過(guò)高，不能保證探測(cè)距離，而FMCW是連續(xù)波，峰值功率要小得多，加上更高信噪比，可以保證探測(cè)距離。

不過(guò)，要保證OPA的光源干涉，其相鄰天線的距離要達(dá)到微米級(jí)，目前生產(chǎn)工藝還不能滿足這個(gè)要求，業(yè)內(nèi)估計(jì)2025年前后工藝可以成熟。

長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，OPA + FMCW + 1550nm的組合將成為長(zhǎng)距雷達(dá)的趨勢(shì)，而短距，將會(huì)成為Flash + ToF + 905nm的天下。

毫米波雷達(dá)主要使用77GHz至79GHz之間的電磁波。相比于攝像頭和激光雷達(dá)，其波長(zhǎng)更長(zhǎng)，在1到10mm之間，比雨滴、沙塵、霧霾顆粒的尺寸還要大，在雨雪沙塵天氣下，遇到空氣中的懸浮顆?？梢暂p易繞射過(guò)去繼續(xù)傳播，所以毫米波雷達(dá)在惡劣天氣下也可以正常工作，這是非常大的優(yōu)勢(shì)。

毫米波雷達(dá)除了能夠測(cè)距外，還能夠測(cè)速。通過(guò)天線向外發(fā)射的毫米波，遇到目標(biāo)反射后，可以計(jì)算他們之間的距離，還通過(guò)頻移來(lái)得到物體的運(yùn)動(dòng)速度。

傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)不具備測(cè)高能力，在遇到井蓋、立交橋等靜態(tài)物體時(shí)，由于缺少高度信息，難以判斷物體在地面還是在空中，為了避免誤識(shí)別引起的功能誤觸發(fā)，只能將靜止物體全部濾除，但這種策略也帶來(lái)了漏識(shí)別的風(fēng)險(xiǎn)。

不過(guò)，4D毫米波雷達(dá)的出現(xiàn)有效解決了這個(gè)問(wèn)題。傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)的天線數(shù)量較少，一般只有2-3個(gè)發(fā)射天線，3到4個(gè)接收天線。4D毫米波通過(guò)增加天線數(shù)量，可以更精準(zhǔn)地探測(cè)周?chē)h(huán)境，在提升角分辨率的同時(shí)，還增加了測(cè)高功能，信息更加豐富。

現(xiàn)在4D毫米波雷達(dá)逐漸成熟，開(kāi)始走向量產(chǎn)，隨著成本逐步下降，將會(huì)逐漸替代傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)。

有人可能會(huì)問(wèn)，超聲波是什么電磁波？超聲波和水波一樣，不是電磁波，而是機(jī)械波。

電磁波的傳播不依賴(lài)介質(zhì)，在真空中也可以傳播，而機(jī)械波需要介質(zhì)，一個(gè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)下一個(gè)點(diǎn)，形成波。

車(chē)載超聲波的工作頻率有40kHz、48kHz和58kHz。

超聲波雷達(dá)發(fā)出的波在空氣中傳播，遇到障礙物反彈，處理后可以得到目標(biāo)位置。因?yàn)槁暡▊鞑ニ俣嚷?，距離太遠(yuǎn)時(shí)延遲較大，超聲波雷達(dá)的探測(cè)距離較近，一般在5m以?xún)?nèi)。

超聲波雷達(dá)成本低、成熟度高、防水防塵，有少量泥沙遮擋也不影響，短距測(cè)量時(shí)很有優(yōu)勢(shì)，普遍應(yīng)用在泊車(chē)系統(tǒng)中。

根據(jù)安裝位置的不同， 超聲波雷達(dá)可分為UPA和APA。UPA安裝在前后保險(xiǎn)杠上，測(cè)量前后障礙物；APA安裝在汽車(chē)側(cè)面，識(shí)別空車(chē)位。

傳統(tǒng)超聲波雷達(dá)是同頻工作，為了避免同頻干擾，一個(gè)保險(xiǎn)杠上的探頭輪次發(fā)波，刷新周期長(zhǎng)。最新的AK2技術(shù)通過(guò)特殊的編碼方式，發(fā)出變頻正弦波，和FMCW類(lèi)似，多個(gè)探頭同時(shí)收發(fā)波，從而大大降低檢測(cè)延遲。

每種傳感器都有優(yōu)缺點(diǎn)?？梢?jiàn)光攝像頭色彩豐富，但易受外部光線影響；激光雷達(dá)測(cè)距精度高，但易受不良天氣影響；毫米波雷達(dá)不受雨霧和光線影響，但檢測(cè)點(diǎn)稀疏；超聲波雷達(dá)體積小成本低，但探測(cè)距離近。

每種傳感器都代表了觀測(cè)世界的一種視角和維度，如何更好的對(duì)多維數(shù)據(jù)進(jìn)行更合理使用，將是行業(yè)持續(xù)關(guān)注的重點(diǎn)。

好了，今天的分享就到這里啦，各位如果在智能汽車(chē)技術(shù)上還有無(wú)法解答的難題，歡迎評(píng)論區(qū)留言。感謝大家的關(guān)注，智子1號(hào)即將離開(kāi)地球表面。