[首發(fā)于智駕最前沿微信公眾號(hào)]不知道大家看到激光雷達(dá)探測(cè)到的點(diǎn)云時(shí)，有沒(méi)有注意到一個(gè)現(xiàn)象，那就是在三維點(diǎn)云圖像中會(huì)有一個(gè)圓形的“真空帶”中心。

無(wú)論車輛周邊的交通環(huán)境多么復(fù)雜，點(diǎn)云圖中靠近汽車底盤和車身周圍幾米的范圍內(nèi)，是沒(méi)有任何數(shù)據(jù)點(diǎn)分布的空洞區(qū)域。

這種現(xiàn)象并不是傳感器故障，也不是激光無(wú)法照射到地面，而是激光雷達(dá)的物理特性、安裝幾何限制、光學(xué)收發(fā)架構(gòu)以及后端算法處理邏輯等多個(gè)因素共同導(dǎo)致的必然結(jié)果。

這個(gè)“盲區(qū)”的大小直接影響了車輛對(duì)馬路牙子、低矮寵物或散落路面碎片等近場(chǎng)障礙物的感知能力。

視野的物理邊界與安裝幾何的制約

激光雷達(dá)之所以無(wú)法在靠近車身的地方產(chǎn)生點(diǎn)云，主要原因是其垂直視場(chǎng)角的物理張角限制?，F(xiàn)階段的車載激光雷達(dá)，特別是傳統(tǒng)的機(jī)械旋轉(zhuǎn)式雷達(dá)，其發(fā)射的激光束并不是呈全球體覆蓋，而是具有特定的垂直視場(chǎng)角范圍。

以常見(jiàn)的車載機(jī)械雷達(dá)為例，其垂直視場(chǎng)角通常在30度到40度之間，且這些光束會(huì)以水平方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，向上和向下分布一定的角度。

當(dāng)我們將雷達(dá)安裝在車頂，即離地高度約1.8米到2米的位置時(shí)，最下方的一束激光與垂直地面的法線之間會(huì)存在一個(gè)明顯的夾角。

根據(jù)基礎(chǔ)的三角幾何關(guān)系，激光是沿直線傳播的。在最下層激光束射向地面的過(guò)程中，由于其出射角度無(wú)法垂直向下，在光束觸及地面之前，雷達(dá)下方的空間就形成了一個(gè)無(wú)法被覆蓋的倒錐形陰影區(qū)。

如果激光雷達(dá)安裝在車頂正中央，且其最下層掃描線的下偏角不足，那么在車輛四周就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)半徑達(dá)數(shù)米的地面盲區(qū)，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，任何高度低于激光光路的物體都無(wú)法產(chǎn)生反射信號(hào)。

對(duì)于乘用車而言，如果安裝高度在0.8米左右，且沒(méi)有采取特殊的傾斜安裝措施，前方地面的首個(gè)探測(cè)點(diǎn)可能出現(xiàn)在3米開(kāi)外，這意味著保險(xiǎn)杠正前方3米內(nèi)的地面信息將是完全缺失的。

不同配置下的理論盲區(qū)距離

除了高度與角度，車輛自身的遮擋也是導(dǎo)致空洞的重要因素。由于激光雷達(dá)安裝在車頂或車頭，其掃描路徑必然會(huì)被車頂邊緣、引擎蓋或者后視鏡所阻擋。

為了防止這些固定的車身結(jié)構(gòu)在點(diǎn)云中產(chǎn)生干擾，工程師會(huì)根據(jù)車輛的物理輪廓，在雷達(dá)的掃描范圍內(nèi)劃定一個(gè)“自車過(guò)濾區(qū)”。

任何落入該區(qū)域的點(diǎn)，即便真實(shí)存在，也會(huì)在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段被軟件算法直接剔除，這進(jìn)一步放大了點(diǎn)云圖中的空白感。

光學(xué)收發(fā)架構(gòu)帶來(lái)的探測(cè)盲區(qū)

除了安裝位置，激光雷達(dá)內(nèi)部的光學(xué)收發(fā)設(shè)計(jì)也決定了它會(huì)存在一個(gè)物理上的最小探測(cè)距離。激光雷達(dá)的工作核心是飛行時(shí)間（ToF）原理，通過(guò)測(cè)量激光脈沖發(fā)射到接收反射光的時(shí)間差△t來(lái)計(jì)算距離，公式表達(dá)為R=c×△t/2，其中c為光速。

在極短距離內(nèi)，這個(gè)時(shí)間差非常小，這對(duì)傳感器的電子響應(yīng)速度提出了嚴(yán)苛要求。如果物體距離雷達(dá)太近，往返時(shí)間可能短于探測(cè)器從發(fā)射狀態(tài)切換到接收狀態(tài)所需的物理時(shí)間，導(dǎo)致信號(hào)無(wú)法被捕獲。

激光雷達(dá)的光學(xué)架構(gòu)主要分為同軸（Monostatic）和旁軸（Bistatic）兩種形式。在同軸設(shè)計(jì)中，發(fā)射光路和接收光路共用同一個(gè)光學(xué)孔徑。

理論上，同軸系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)從零米開(kāi)始探測(cè)，但在實(shí)際操作中，發(fā)射瞬間的巨大光能量會(huì)在內(nèi)部光學(xué)元件上產(chǎn)生微弱的散射。這種散射光會(huì)直接進(jìn)入高靈敏度的探測(cè)器，產(chǎn)生內(nèi)部回波，導(dǎo)致探測(cè)器在發(fā)射瞬間處于瞬時(shí)飽和或盲秒狀態(tài)。

為了保護(hù)電路并消除干擾，系統(tǒng)必須設(shè)置一個(gè)短的時(shí)間窗來(lái)屏蔽發(fā)射初期的信號(hào)，這在物理上就制造了一個(gè)約10厘米到20厘米的探測(cè)盲區(qū)。

旁軸架構(gòu)的設(shè)計(jì)則更加復(fù)雜，它的發(fā)射鏡頭和接收鏡頭在物理空間上是分開(kāi)的，類似于人的雙眼。

只有當(dāng)物體位于一定距離之外時(shí)，發(fā)射出的激光光斑才能進(jìn)入接收鏡頭的有效視場(chǎng)（FOV）內(nèi)，這種現(xiàn)象被稱為幾何重疊。

在極近距離下，反射光斑完全落在接收鏡頭的盲區(qū)內(nèi)，探測(cè)器完全無(wú)法感知到信號(hào)。旁軸激光雷達(dá)的最小有效量程會(huì)受到兩個(gè)鏡頭之間距離及匯聚角度的限制，導(dǎo)致其在0.5米甚至更近的范圍內(nèi)無(wú)法產(chǎn)生可靠的點(diǎn)云。

此外，激光探測(cè)器（如雪崩光電二極管APD或單光子雪崩二極管SPAD）本身也具備一定的恢復(fù)時(shí)間。

當(dāng)探測(cè)器捕捉到一個(gè)脈沖后，需要經(jīng)過(guò)一段清零時(shí)間才能重新響應(yīng)下一個(gè)信號(hào)。對(duì)于SPAD探測(cè)器，這個(gè)恢復(fù)時(shí)間（Rest Time）一般在400納秒到1微秒之間。

這意味著如果第一個(gè)發(fā)射脈沖還未消散時(shí)，近距離障礙物的反射光就已到達(dá)，探測(cè)器將無(wú)法對(duì)其做出反應(yīng)。這種電子層面的延遲在微觀尺度上解釋了為什么點(diǎn)云在緊貼雷達(dá)窗口的區(qū)域必然是缺失的。

強(qiáng)光飽和與電子電路的處理極限

在實(shí)際道路環(huán)境中，由于反射光強(qiáng)度隨距離的平方反比衰減，近場(chǎng)物體返回的激光能量強(qiáng)度會(huì)極其巨大，遠(yuǎn)超傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。

當(dāng)一個(gè)具有高反射率的物體（如反光背心、潔凈的車牌或白色車漆）出現(xiàn)在雷達(dá)幾厘米到一兩米的范圍內(nèi)時(shí)，探測(cè)器接收到的光功率可能比探測(cè)百米外物體時(shí)高出數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。

這種極強(qiáng)信號(hào)會(huì)導(dǎo)致接收電路中的轉(zhuǎn)阻放大器（TIA）瞬間進(jìn)入飽和區(qū)。

一旦放大器飽和，它輸出的信號(hào)波形就不再是清晰的窄脈沖，而是被削平頂部且發(fā)生嚴(yán)重的脈沖拓寬（Pulse Widening）。

圖片源自：網(wǎng)絡(luò)

在時(shí)間測(cè)量電路看來(lái)，這種畸變的波形很難被精確計(jì)到，甚至?xí)徽`判為背景噪聲或干擾信號(hào)。

對(duì)于一些性能較弱的激光雷達(dá)，這種飽和效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致近場(chǎng)障礙物在點(diǎn)云中表現(xiàn)為“空洞”或“時(shí)有時(shí)無(wú)”的閃爍現(xiàn)象，感知軟件難以據(jù)此建立連續(xù)的跟蹤邏輯，進(jìn)而可能導(dǎo)致車輛在行駛中出現(xiàn)無(wú)故的頓挫感或急剎車。

針對(duì)這種飽和問(wèn)題，雖然開(kāi)發(fā)了諸如多閾值檢測(cè)、增益自動(dòng)調(diào)節(jié)以及飽和波形補(bǔ)償算法等技術(shù)嘗試恢復(fù)真實(shí)的距離信息，但在極端近距離下，光能的匯聚依然可能產(chǎn)生物理層面的干擾。

此外，如果多臺(tái)自動(dòng)駕駛車輛在近距離相遇，各自發(fā)射的激光脈沖還可能在對(duì)方的近場(chǎng)區(qū)域造成相互干擾，導(dǎo)致噪點(diǎn)增加，迫使系統(tǒng)通過(guò)算法濾除更多不可信的數(shù)據(jù)，這進(jìn)一步增強(qiáng)了點(diǎn)云近處“空洞”的視覺(jué)特征。

軟件層面的車身屏蔽與冗余感知

在了解了物理和電子層面的限制后，我們還需要審視自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的一個(gè)步驟，自車點(diǎn)云過(guò)濾。

在激光雷達(dá)全速旋轉(zhuǎn)掃描時(shí)，它的視場(chǎng)中必然會(huì)包含例如車頂架、引擎蓋邊緣或后置雷達(dá)掃描到的后備箱輪廓等車輛自身的零部件。

如果不加處理，這些固定的金屬或塑料表面會(huì)產(chǎn)生高密度的點(diǎn)云，在視覺(jué)上就像是車輛被包裹在了一層厚厚的碎屑中。

這些“自車點(diǎn)”不僅毫無(wú)感知意義，還會(huì)對(duì)目標(biāo)識(shí)別算法造成嚴(yán)重干擾。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，自動(dòng)駕駛感知系統(tǒng)會(huì)根據(jù)高精度的車輛三維CAD模型，在雷達(dá)坐標(biāo)系下定義一個(gè)禁區(qū)。

圖片源自：網(wǎng)絡(luò)

任何位于該禁區(qū)內(nèi)的三維坐標(biāo)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)進(jìn)入感知決策層之前就會(huì)被過(guò)濾算法（如直通濾波器或裁剪濾波器）徹底抹除。

這種算法處理是點(diǎn)云圖中心呈現(xiàn)規(guī)整空白的最直接推手。由于過(guò)濾區(qū)通常會(huì)比實(shí)際車身稍大幾厘米以容納震動(dòng)帶來(lái)的誤差，因此在點(diǎn)云圖中，車輛周圍總是環(huán)繞著一圈真空。

現(xiàn)階段的自動(dòng)駕駛技術(shù)正通過(guò)硬件層面的創(chuàng)新來(lái)進(jìn)一步縮小這個(gè)空洞。像是一些新型的“補(bǔ)盲激光雷達(dá)”采用了超廣角設(shè)計(jì)，其最小探測(cè)距離被壓縮到了5厘米甚至更低。

通過(guò)在車身的四個(gè)角落嵌入這些小型傳感器，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)真正的全方位三維覆蓋，將原本空曠的點(diǎn)云中心填充上真實(shí)的地面細(xì)節(jié)和障礙物輪廓。

最后的話

激光雷達(dá)點(diǎn)云中心出現(xiàn)的空洞，是激光雷達(dá)在面對(duì)物理幾何、光學(xué)路徑以及電信號(hào)強(qiáng)度極端變化時(shí)，為了保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性而不得不做出的妥協(xié)。

對(duì)于感知系統(tǒng)而言，理解并接納這個(gè)空洞，并通過(guò)多傳感器融合的方式將其填補(bǔ)，是確保自動(dòng)駕駛汽車在復(fù)雜城市道路中安全穿行的技術(shù)基石。

審核編輯 黃宇