撰文 / 史金陽（中國科學院近代實體研究所） 陳鲲（中國科學院實體研究所）
本文來自《知識就是力量》雜志
假期，很多人都會選擇自駕出行，不過交通擁堵煞風景，如果能實作自動駕駛就好了！現代車輛的自動駕駛是如何實作的？雷達在其中發揮了怎樣的作用？
什麼是雷達？
自動駕駛好比行人走路，先用眼睛觀察确定路線，然後大腦再給身體下指令。對汽車而言，各種雷達、攝像頭等傳感器就是汽車的眼睛，電子線路就是中樞神經，計算分析等控制系統如同大腦，最終決定了汽車的前行方向與速度。而在這些器官中，“眼睛”起到了十分關鍵的作用，為了使得車輛能夠像人一樣敏銳地感覺周圍的環境資訊，我們就需要給汽車安裝一雙慧眼——雷達。
雷達一詞來源于Radar的英文音譯，是英文“無線電探測與測距”的縮寫。顧名思義，雷達的作用是發現目标與确定目标的“位置”，這和我們眼睛的功能是極為相似的。
那麼雷達是如何工作的呢？舉個形象的例子，當我們處于一個沒有燈光的黑暗環境時，我們很難通過肉眼分辨周圍的物體。此時我們打開手電筒，周圍變得清晰并且可以比較準确地定位周圍物體的相對位置。這個發現周圍物體的過程可以分解為以下步驟：
大腦發現物體的過程（供圖/史金陽）
首先，我們使用手電筒發射燈光，使得手電光照在周圍的物體上，由于物體的表面不能完全吸收這些光，是以會反射一些光到環境中。随後，眼睛接收到這些反射的燈光并把眼睛接收的燈光資訊轉換為神經脈沖信号。神經脈沖信号經過神經的傳導到達大腦。最後，大腦經過判斷，意識到周圍物體的存在并根據雙眼角度确定物體的相對位置。當然，以上過程隻在一瞬間就完成了。
如果将上述過程中的手電筒換成一個雷達的發射機，接收光線的眼睛替換為雷達的接收機，雷達的信号處理系統等效為大腦，我們就可以形象地了解雷達系統的運作原理了。雷達通過脈沖回波與發射脈沖的間隔确定與目标的距離。之後通過實驗測量出電磁波在當地環境下的傳播速度，然後便可以通過确定發射脈沖與反射波的間隔确定電磁波的飛行時間。當我們擁有了速度與時間兩個參量，我們就可以使用速度與時間的乘積的一半計算出兩者間隔的距離。
全天候“服務管家”
——毫米波雷達
毫米波指波長介于1-10納米的電磁波，毫米波雷達則指工作在毫米波波段的雷達。毫米波的波長介于厘米波和光波之間，是以毫米波兼有微波制導和光電制導的優點。毫米波雷達得益于特殊的高增益天線（天線增益越高，方向性越好）設計，它的方向性極強，能夠準确地辨識障礙物的相對位置。假如當雷達的方向性相對較差的時候，它将照射一個較大的範圍，那麼如果出現障礙物，我們很難準确測量它的相對位置，隻能确定它在這個範圍内的某個位置附近。而當雷達的方向性較好的時候，一旦探測到了物體，物體的位置就可以更加準确地框在這個較小的範圍内。
搭載雷達的無人駕駛汽車（供圖/史金陽）
由于毫米波具有較好的穿透性，是以毫米波雷達在煙霧、揚塵環境中仍然可以對周圍環境準确感覺，具有全天候全天時的特點。這些特性對于自動駕駛而言極為重要，它可以在能見度較差的條件下分辨來往車輛、人員、低矮路障以及細小障礙物，避免車輛因為缺乏對周圍資訊的感覺而作出錯誤決策，進而為乘客的安全提供有效的保障。
駕駛界的“香饽饽”
——雷射雷達
要想實作車輛的輔助駕駛或更高階的自動駕駛，車輛必須要能感覺自己所處的環境，這對于汽車行業是一個新的挑戰，也是實作自動駕駛最關鍵的一步。
雷射雷達也可以叫作Lidar，就是雷射（Laser）與雷達（Radar）的集合。其實大家對它并不陌生，因為在很多無人駕駛汽車在道路上進行行駛實驗時，車頂上都會架一個看上去和攝像頭差不多，但是會一直在一定角度内旋轉的“小罐子”，那通常就是雷射雷達了。
雷射雷達是一種利用光波進行測量的主動探測方式。主動探測方式是指探測系統通過接收自身發出的信号回波來進行測量，差別于例如錄影機等通過接收環境光擷取信号的被動探測方式。雷射雷達通過測量雷射從發出經障礙物反射到被傳感器接收所經曆的時間，來計算障礙物的距離。
雷射雷達的掃描感覺圖（供圖/陳鲲）
舉個例子來說，毫米波雷達可以發現路邊障礙，但隻能“看到”模糊形體，而厘米級精度的雷射雷達則可以在極短時間内清楚區分出障礙是路肩還是斜坡。若無人駕駛汽車斷定是斜坡後，就可以作出安全開上車道的決策。這種精度對上路行駛的無人駕駛汽車而言，可以更接近極緻安全。
雷射雷達測距效果圖
由于雷射波長比毫米波短3個數量級，是以分辨率精度比毫米波強很多，可以清楚地識别周圍的車輛、行人與障礙物。但由于大多數物體在雷射波段存在吸收與反射，傳播距離也比毫米波短不少，雨天時，雷射可能被雨滴吸收或反射，幹擾行車安全。由于車路協同是未來自動駕駛的趨勢，雷射雷達也可以應用到路端，由路端實時掃描并同步推送給附近車輛。
雷射雷達與毫米波雷達是汽車探路的左膀右臂。雷射雷達處理近處高精度的模組化，在複雜的街道保障行車安全。毫米波雷達處理遠處低精度的模組化，保障複雜天氣的行車安全。
期待未來的無人駕駛汽車可以搭載低成本的雷射雷達與毫米波雷達，全面應對複雜的道路狀況，讓出行變得更安全，交通更順暢。
知識拓展
雷射雷達“大解剖”
雷射雷達主要由雷射發射子產品、接收子產品、掃描器、透鏡天線和信号處理子產品組成。
雷射發射子產品主要是發射雷射脈沖，調控雷射光束；雷射接收子產品主要是接收傳回的雷射，産生信号；資訊處理子產品主要是将信号放大分析計算并模組化。而掃描器的主要作用則是以一定形式驅動雷達在一個或多個平面内掃描周圍情況，掃描器一般分為機械式、轉鏡式、微鏡式與泛光面陣式等。
機械式掃描器是将雷達掃描器裝在車頂上，機械轉動整個雷達掃描器，實作掃描（供圖/陳鲲）
轉鏡式掃描器是通過一個可機械旋轉的平面鏡控制光束出射角度，實作掃描，與機械式類似（供圖/陳鲲）
微鏡式掃描器通過調節微鏡發出電控光束實作掃描，缺點是無法360度掃描（供圖/陳鲲）
泛光面陣式掃描器内置一個擴束鏡，通過向前方發射一束發散的雷射，可以快速得到單一方向的資料，缺點是探測距離低，成像精度低（供圖/陳鲲）
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