这篇文章让你彻底搞懂自动驾驶传感器
大家好我是来自三体文明的专注于智能汽车技术干货的智子1号。
刚开始了解自动驾驶，你肯定会被各种不同的传感器搞得眼花缭乱。每种传感器的原理和特点各不相同，如何分辨他们的特点、搞懂中间的差异，显得非常关键。
一般人讲解传感器原理，可能会直接进入技术细节，但是作为三体文明超强人工智能体的我——智子，当然会站在更高的维度看待这个问题。
其实这些传感器的技术原理是类似的，本质都是电磁波。摄像头所捕捉的可见光是电磁波；激光雷达发射的也是电磁波；毫米波雷达也是电磁波。只需要把电磁波搞清楚，基本上所有的传感器就都容易理解了。
电磁波有个基本公式：c=λf
其中，c是光速，λ是波长，f是频率。
经过转换可以得到：λ=c/f
我们知道，光具有粒子的性质，也具有波的性质，也就是所谓的“波粒二象性”，其实电磁波都具有波粒二象性。
频率越低，波长越长，电磁波的波动性就越明显，衍射能力越强，就是可以绕过和波长差不多或比波长更小的障碍物继续传播。
相反，频率越高，波长越短，电磁波的粒子性越明显，绕射能力差，用作测量时就越精准。
不过，频率越高，电磁波的能量越强，穿透能力也越强。穿透能力和前面说的绕射不同，它是直接深入到物质内部，像刺刀一样穿进去。
能量越高，穿透能力越强，相应的，电磁波也会随穿透厚度增大而快速衰减，所以一般不会传很远，比如医院拍CT的X光片，做手术的伽马刀，还有核辐射就属于这一类。
可见光是波长在 380nm至 780nm之间、能够被人眼捕捉的电磁波。
角膜和晶状体把外界物体的光线汇聚在视网膜上，视网膜能感受和分辨不同颜色和亮度的光线，从而形成视觉。摄像头也是类似的成像原理。自动驾驶中，摄像头就像人的眼睛一样，是最重要、最不可或缺的传感器，甚至没有之一。
图像中有丰富的颜色和语义信息，可以识别车辆、行人、车道线和交通标识，而且成本比较低，通过软件算法的不断演进，可以实现更多的功能，如测距、测速、运动预测，甚至可以在线建图。所以车上会装很多个摄像头，来覆盖不同区域。
虽然视觉算法上手的难度不低，上限却极高。特斯拉的马斯克坚信“第一性原理”，他认为，既然人主要通过视觉来驾驶，那么只通过摄像头，也一定可以实现自动驾驶。
不过，可见光摄像头受天气和光照影响很大。比如在光线昏暗或者逆光的时候，摄像头的感知效果会大打折扣。
靠近可见光的就是红外线了，红外线波长大于700nm，最长可达10μm，按照波长可以分为近红外、中红外和远红外。
近红外经常会用到座舱DMS中。
普通的可见光摄像头，受光线影响太大，夜间功能受限，而使用940nm的近红外光可以解决这个问题。
为什么近红外不受阳光的影响呢？太阳辐射的能量主要分布在可见光区和红外区，在可见光如此狭窄的波段范围内，占了太阳辐射总量的50％，而整个红外区占43％。在波长940nm的近红外波段处，太阳光影响很小，为了保证效果，一般还会加个照射红外线的LED灯。
可见光带有色彩信息，但对光照敏感。近红外可以解决光照变化问题，但会丢失颜色，那么有没有一种传感器能够两全其美，集两者的优点于一身呢？
还真有。那就是RGB - IR摄像头。
传统可见光相机使用RGGB的拜耳阵列格式，而RGB - IR摄像头则使用RGB - IR的格式。
传统摄像头镜头后面会加红外截止滤光片，来阻绝波长 650nm 以上的红外光。而RGB - IR摄像头装有双通带滤波器，只允许可见光和近红外波段进入。这样就可以通过一个传感器同时捕捉到色彩和近红外，在白天和晚上都可以清晰成像。
RGB - IR摄像头目前已经应用在OMS系统中，白天可以用于视频会议、自拍等，光线较暗时，有红外LED灯的补光，前座驾驶员也可以在显示器上清晰看到后排乘客的状态。
任何温度高于绝对零度的物体都会进行红外辐射，可以通过探测器接收到。
远红外主要有两大应用，第一个用于测温，相信大家都很熟悉了，第二个就是今天要说的红外热成像，其实红外热成像很早就应用在军事领域了。车载红外相机探测到的红外波长在7~14微米之间。
红外热成像技术有什么优势呢？
1）利用热辐射成像，不仅不受眩光影响，也不受外界可见光影响，即便在夜间完全黑暗的情况下也能清晰辨别行人、动物和车辆。
2）因为远红外波长很长，绕射能力强，功能不受雨雪、雾霾、沙尘等恶劣天气影响。
不过远红外相机也有缺点，就是对非活体检测识别率明显下降，夏天环境温度上升时，识别准确率也会降低，当下一般只用作画面显示和预警功能。
现阶段，车载红外相机价格已降到数千元级别，配置率将会继续提升。
激光雷达的波长主要有905nm和1550nm两种，相较于毫米波雷达，激光雷达波长更短，粒子性好，测量精准度高。
1550nm波长更长，绕射能力更好。不过考虑到上游产业链成熟度，当前905nm用得更普遍一些。两者更大的区别在于被水吸收的难易程度，这直接关系到测距能力。
来看一下液态水的吸收光谱，可见光不太容易被吸收，红外更容易被吸收，在905nm到1550nm，正是快速变化的区域，也就是说，相比于905nm，1550nm更容易被水吸收。
激光雷达必须符合人眼安全。905nm波长可以直达眼底的视网膜，功率过大会损伤视网膜，而1550nm在到达视网膜之前就被饱含液态水的晶状体和角膜吸收，不会对视网膜造成损害，对人眼安全更加友好。
不过1550nm也不是绝对安全，当功率过高时，角膜和晶状体也会损伤，只是这个上限功率要比905nm要高得多。所以1550nm的测量距离比905nm要远得多。
激光雷达根据测距原理分为两种——ToF和FMCW。
ToF
ToF就是发射一段激光脉冲，接收器接收，通过计算时间差来测量距离。目前成熟的激光雷达方案都是基于ToF的。
FMCW
FMCW就是调频连续波，发出恒定的连续波，并定期改变光的频率，通过测量返回光的相位和频率，得到目标的距离和速度。
FMCW测距原理要求，必须保证返回光和本地光进行干涉才能检测，这对激光器的相干性要求很高，现阶段只有1550纳米的激光器能满足这种要求。再加上1550本身的测距优势，基本上所有的FMCW都使用1550nm。
根据扫描方式的不同，激光雷达可以分为机械式、半固态和固态。机械式因为成本和可靠性问题，现在用得很少了。半固态是当前的主流。
根据具体方案不同，又可分为转镜和MEMS。
从可靠性和成本角度来看，固态激光雷达是终极目标。固态雷达可以分为Flash和OPA两种。
Flash
Flash 方案采用面光源，只需一次闪光就能覆盖整个视野。
大家不要觉得Flash技术很神秘，其实前几年就在手机上广泛应用了，也就是3d ToF传感器；在智能座舱里也被用来检测驾驶员的面部表情和手势等。
Flash方案有高成熟度和高可靠性的优点，不过也有明显缺点，那就是面光源同时触发，发射功率平摊下来太分散，导致测量距离较近，一般不超过50米，所以在前装量产中一般用作近距离补盲。
为解决这个问题，业内在尝试优化扫描方式，比如使用焦平面阵列扫描技术，通过将光源逐区点亮、多次扫描的方式，提升其功率密度和测量距离。
OPA
OPA，就是光学相控阵，最早应用于军工领域。发射端由间距很近的光学天线阵列构成，在较宽的角度范围内发射相干光，通过调整每个天线发射光的相对相位来改变所产生的干涉图纹。
与FLASH的面光源不同，OPA是点光源，所需要的峰值功率更低，在同样的功率限制下，OPA探测距离更远。
考虑到产业成熟度，OPA一般使用硅光芯片。在测距原理上，如果使用脉冲式的ToF，峰值功率过高，不能保证探测距离，而FMCW是连续波，峰值功率要小得多，加上更高信噪比，可以保证探测距离。
不过，要保证OPA的光源干涉，其相邻天线的距离要达到微米级，目前生产工艺还不能满足这个要求，业内估计2025年前后工艺可以成熟。
长远来看，OPA + FMCW + 1550nm的组合将成为长距雷达的趋势，而短距，将会成为Flash + ToF + 905nm的天下。
毫米波雷达主要使用77GHz至79GHz之间的电磁波。相比于摄像头和激光雷达，其波长更长，在1到10mm之间，比雨滴、沙尘、雾霾颗粒的尺寸还要大，在雨雪沙尘天气下，遇到空气中的悬浮颗粒可以轻易绕射过去继续传播，所以毫米波雷达在恶劣天气下也可以正常工作，这是非常大的优势。
毫米波雷达除了能够测距外，还能够测速。通过天线向外发射的毫米波，遇到目标反射后，可以计算他们之间的距离，还通过频移来得到物体的运动速度。
传统毫米波雷达不具备测高能力，在遇到井盖、立交桥等静态物体时，由于缺少高度信息，难以判断物体在地面还是在空中，为了避免误识别引起的功能误触发，只能将静止物体全部滤除，但这种策略也带来了漏识别的风险。
不过，4D毫米波雷达的出现有效解决了这个问题。传统毫米波雷达的天线数量较少，一般只有2-3个发射天线，3到4个接收天线。4D毫米波通过增加天线数量，可以更精准地探测周围环境，在提升角分辨率的同时，还增加了测高功能，信息更加丰富。
现在4D毫米波雷达逐渐成熟，开始走向量产，随着成本逐步下降，将会逐渐替代传统毫米波雷达。
有人可能会问，超声波是什么电磁波？超声波和水波一样，不是电磁波，而是机械波。
电磁波的传播不依赖介质，在真空中也可以传播，而机械波需要介质，一个点运动带动下一个点，形成波。
车载超声波的工作频率有40kHz、48kHz和58kHz。
超声波雷达发出的波在空气中传播，遇到障碍物反弹，处理后可以得到目标位置。因为声波传播速度慢，距离太远时延迟较大，超声波雷达的探测距离较近，一般在5m以内。
超声波雷达成本低、成熟度高、防水防尘，有少量泥沙遮挡也不影响，短距测量时很有优势，普遍应用在泊车系统中。
根据安装位置的不同， 超声波雷达可分为UPA和APA。UPA安装在前后保险杠上，测量前后障碍物；APA安装在汽车侧面，识别空车位。
传统超声波雷达是同频工作，为了避免同频干扰，一个保险杠上的探头轮次发波，刷新周期长。最新的AK2技术通过特殊的编码方式，发出变频正弦波，和FMCW类似，多个探头同时收发波，从而大大降低检测延迟。
每种传感器都有优缺点。可见光摄像头色彩丰富，但易受外部光线影响；激光雷达测距精度高，但易受不良天气影响；毫米波雷达不受雨雾和光线影响，但检测点稀疏；超声波雷达体积小成本低，但探测距离近。
每种传感器都代表了观测世界的一种视角和维度，如何更好的对多维数据进行更合理使用，将是行业持续关注的重点。
好了，今天的分享就到这里啦，各位如果在智能汽车技术上还有无法解答的难题，欢迎评论区留言。感谢大家的关注，智子1号即将离开地球表面。
