[首發(fā)于智駕最前沿微信公眾號(hào)]在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，要讓汽車自己“看懂”周圍環(huán)境，必須借助激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等傳感器。它們雖都用于探測(cè)周圍物體，但物理原理和應(yīng)對(duì)惡劣天氣的能力卻有明顯不同。

激光雷達(dá)，顧名思義，其核心是發(fā)射激光（通常為不可見的紅外光）探測(cè)物體。它向周圍環(huán)境發(fā)出激光脈沖，通過測(cè)量光束從發(fā)射到被物體反射回來的時(shí)間（即“飛行時(shí)間”測(cè)量原理），精確計(jì)算出目標(biāo)的距離、方位與輪廓。激光雷達(dá)能生成高密度的三維點(diǎn)云，可以為車輛繪制出周圍環(huán)境的精細(xì)“3D地圖”，從而使自動(dòng)駕駛系統(tǒng)得以精準(zhǔn)識(shí)別物體。

相比之下，毫米波雷達(dá)不是發(fā)光，而是發(fā)射無線電波。這種波的頻率比傳統(tǒng)雷達(dá)高很多，波長(zhǎng)在毫米級(jí)別，因此叫做毫米波雷達(dá)。它發(fā)射電磁波，然后通過接收從物體反射回來的波來計(jì)算距離、速度和方向。毫米波雷達(dá)的分辨率不如激光雷達(dá)那么高，但它能夠同時(shí)測(cè)量目標(biāo)的速度信息，并且對(duì)惡劣天氣有更好的適應(yīng)性。

雖然激光雷達(dá)能給出非常細(xì)致的環(huán)境細(xì)節(jié)，但在雨、霧、雪等惡劣天氣下表現(xiàn)會(huì)明顯下降；而毫米波雷達(dá)在這些環(huán)境下更穩(wěn)定、可靠。這背后的原因就在于它們使用的電磁波波長(zhǎng)和與雨霧中微小水滴的物理作用機(jī)制。

波長(zhǎng)決定了穿透能力

激光雷達(dá)與毫米波雷達(dá)之所以在惡劣天氣下有顯著的表現(xiàn)差異，其根源在于工作波長(zhǎng)的不同。

激光雷達(dá)發(fā)射的光波波長(zhǎng)非常短，一般處于900納米到1550納米范圍，這比可見光稍長(zhǎng)一些。波長(zhǎng)短意味著它在探測(cè)周圍物體時(shí)可以提供更高的空間分辨率，因此能夠準(zhǔn)確獲取如行人手里的物品、路沿石邊緣等很多細(xì)節(jié)。這個(gè)特性對(duì)于精細(xì)的環(huán)境建模非常有用。

但短波長(zhǎng)也會(huì)帶來一個(gè)問題，當(dāng)它遇到雨滴、霧滴或者空氣中懸浮的微粒時(shí)，這些微小顆粒會(huì)強(qiáng)烈散射和吸收激光光束。雨滴直徑會(huì)比激光波長(zhǎng)大很多，這會(huì)讓光束在接近雨滴或者霧滴時(shí)發(fā)生散射，方向改變，甚至一部分能量被吸收掉。這種效果會(huì)讓原本應(yīng)該反射回傳感器的光變得微弱、混亂或者根本無法返回，導(dǎo)致傳感數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或者丟失。

毫米波雷達(dá)發(fā)射的電磁波波長(zhǎng)較長(zhǎng)，在1到10毫米之間。這一尺寸與雨滴直徑相當(dāng)，但遠(yuǎn)大于霧滴。因此，毫米波在傳播中遇到這些水滴時(shí)，不會(huì)像光波那樣發(fā)生嚴(yán)重的瑞利散射，而是發(fā)生米氏散射，其結(jié)果是信號(hào)僅產(chǎn)生部分能量衰減和輕微折射，大部分能量仍能向前傳播并被接收。這使得毫米波雷達(dá)在雨霧天氣中依然能保持可靠的探測(cè)能力。

為什么自動(dòng)駕駛不能單靠一種傳感器？

解釋了上述物理現(xiàn)象之后，可能有人會(huì)問：既然毫米波雷達(dá)在雨霧天氣表現(xiàn)更穩(wěn)，那為啥還有那么多汽車廠商堅(jiān)持裝激光雷達(dá)？這要從它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)說起。

激光雷達(dá)的最大優(yōu)勢(shì)是高精度和高分辨率。它可以生成密集的點(diǎn)云圖，把周圍環(huán)境的結(jié)構(gòu)勾勒得很清楚，這對(duì)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)判斷道路邊緣、行人姿態(tài)、靜止物體形狀等非常重要。毫米波雷達(dá)雖然能穿透惡劣天氣，但它提供的信息比較粗糙，分辨率低，難以單靠本身區(qū)分小物體和復(fù)雜的環(huán)境細(xì)節(jié)。

因此，在很多自動(dòng)駕駛技術(shù)中，更多是采用多傳感器融合，攝像頭提供豐富的視覺信息，激光雷達(dá)提供高精度點(diǎn)云，毫米波雷達(dá)補(bǔ)充在惡劣天氣和速度測(cè)量上的可靠數(shù)據(jù)。融合了不同的傳感器的數(shù)據(jù)后，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)就能在各種天氣條件下都獲得比較全面、準(zhǔn)確的環(huán)境理解。

最后的話

激光雷達(dá)與毫米波雷達(dá)在雨霧天氣下的表現(xiàn)差異，根源在于二者工作波長(zhǎng)的不同以及與環(huán)境中水滴的相互作用機(jī)制。激光雷達(dá)使用的近紅外光波長(zhǎng)短，易與微小水滴發(fā)生強(qiáng)烈的散射與吸收，導(dǎo)致信號(hào)嚴(yán)重衰減和失真，使其在惡劣天氣下的探測(cè)距離與點(diǎn)云質(zhì)量顯著下降。相反，毫米波雷達(dá)的電磁波波長(zhǎng)較長(zhǎng)，穿透雨霧時(shí)以能量衰減為主，散射效應(yīng)弱，因此仍能獲取有效的回波信號(hào)，為系統(tǒng)在低能見度條件下提供可靠的感知支持。

當(dāng)然，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的傳感器選用不能單靠這一特點(diǎn)來評(píng)價(jià)，激光雷達(dá)在晴好天氣下能構(gòu)建高精度環(huán)境模型，而毫米波雷達(dá)則能在雨霧等視線受阻場(chǎng)景中保障基礎(chǔ)感知不中斷。正因如此，通過多傳感器融合，綜合各自優(yōu)勢(shì)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)才能在各種復(fù)雜與動(dòng)態(tài)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、安全的運(yùn)行。