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知识帖 | 雨雾环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“的缩写)起源于上世纪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衆視野。在近半个世纪内不断发展,被广泛应用于测绘、無人機、安防等行业。


優勢●

激光雷達是通过主动发射激光束及接受信号实现测探测功能的高精度传感器,其利用光学原理(光的传播速度很快)而实现的高效探测使得激光雷達在测距精度,响应速度及测距稳定性等方面都存在一定的优势。


劣勢●

無論光學、聲學還是電學,都存在技術本身的劣勢。由于采用可见光或近红外外作为探测媒介,光在传播过程中易受到悬浮在空气中的粉尘或水滴的影响,因此激光雷達在雨雪雾霾天、沙尘暴等恶劣天气中表现欠佳。


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、

多次回波探测(Multi Echo)定义

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並且回波信號的間距滿足一定的條件,就可以被記錄並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並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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图1 多次回波测量示意图


假設雨霧和被測車輛之間的距離爲L,雨霧回波信號Echo1的脈寬爲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,得到被測車輛的准確距離。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,並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,主要産生的爲二次回波,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爲零。在一些特殊场景中,如森林地区、庄稼地、草原等,多次回波出现的频率会大大增加。综合来看,激光雷達中使用的多为二次回波技术来实现雨雾穿透。


二、

北醒TF03激光雷達结合雨雾算法效果展示

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图2 多次回波测试场景


搭建简易测试场景对多次回波技术的效果进行验证,实验中使用三角架支撑TF03激光雷達,在降雨量较大时对应开启/关闭多次回波测量结果见如下对比图:


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图3 使用多次回波测试效果


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圖4 無多次回波測試效果


根據測試結果,開啓多次回波後,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,结合特定的滤波算法,激光雷達同样可实现一定程度的雨雪雾霾尘穿透


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。这款重量仅为77g,探测距离可达180m(量程可定制),频率高达10KHz的激光雷達,已实现在室外安全运行至少7200h,最先在交通行业落地。


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图4  上海某交通流量检测项目-图中蓝色效果为雷达探测效果示意图


目前国内外主流激光雷達量程范围在100m左右,由于室外雨雾环境干扰,量程和稳定性便会大大削弱。而多次回波探测技术的发展和应用,有利于提高激光雷達的实际性能。北醒激光雷達在保证硬件实力过硬的基础上(IP67防护等级或更强),积极投入大量资源在研发算法和软件能力上,致力于在室外固定翼無人機定高、智能交通流量检测、周界安防等应用。


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图5 北醒TF03系列和TF350長距激光雷達


關于北醒

北醒专注于固态激光雷達(智能传感器—TF测距传感器系列、CE30 3D传感器系列)的研发与生产,产品可广泛应用于无人驾驶、無人機、机器人、AGV、智能交通、工业自动化、物聯網等领域。


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