激光雷达的探测范围是越远越好吗？

激光雷达之战正在升温。这并不奇怪，因为在过去6个月里有6家公司上市，通过SPAC（特殊目的收购公司）合并成为激光雷达界的独角兽。

数十亿美元的估值，报告季度亏损的压力，以及提高股价的需要，基本上导致了一场激光雷达的探测范围之战。具体来说，指的是激光雷达能“看到”和识别多远的汽车、行人、动物、障碍区、道路碎片等。

出于人眼安全的考虑限制了8XX-9XX纳米的激光雷达，使之比14XX-15XX纳米激光雷达的范围更小。后者可以使用更高的激光功率，因为人类的角膜会吸收这个波长的光，从而限制对视网膜的损伤。

更高的波长是昂贵的（相对于8XX-9XX纳米的系统来说是2-3倍）。以这些波长操作的公司需要证明更高成本的激光雷达是合理的，而测距性能似乎是目前的一个重要论据。

普林斯顿光波公司和Luminar公司率先宣布并展示了他们的15XX纳米激光雷达，对于汽车的探测范围在200-300米。

Luminar公司生产的激光雷达

Aeva最近宣布，他们的15XX纳米调频连续波（FMCW）激光雷达可以在500米处探测汽车，在350米处探测行人。在此之前，Aeye宣传说探测汽车的范围是1000米。

Argo也不甘示弱，最近宣布其在>1400纳米波长下工作的盖革模式激光雷达的探测范围为400米（Argo在2017年收购了普林斯顿光波公司）。

Argo声称，其激光雷达可以在夜间检测到反射率为1%的汽车（夜间的说法具有迷惑性，因为对于盖革模式来说，更具挑战性的情况是在明亮的阳光下）。目前还不清楚在明亮的阳光下，1%反射率的物体是否可以达到400米的范围（这将是相当具有突破性的！），以及在这些条件下，除了检测之外，物体识别是否也可以实现。

激光雷达传感器使用激光脉冲来渲染汽车周围环境的精确图像激光雷达的探测距离对L4自动驾驶汽车很重要，但规格方面存在细微差别。对于安全至关重要的障碍物规避，自动驾驶汽车感知引擎需要在足够的时间内识别道路危险，以便进行安全操作，如刹车以避开轮胎碎片。

重要的是特定物体反射率的范围（10%似乎是一个合理的标准）和危险识别的高置信水平（> 99%，否则，误报率将非常高，导致不断刹车，导致乘客不适和投诉）。

值得注意的是，检测（“那里有东西，但我们不知道它是什么”）和识别（“那里是一辆抛锚的汽车或一个行人”）之间是有区别的。人们常常给出的是与检测相关的范围数字，这通常是不可行的。识别是一个更困难的问题，它依赖于分辨率和实时图像处理的准确性。

自动驾驶汽车利用传感器、感知引擎和人工智能来实施五种基本控制动作：刹车、转向、加速、减速或停车。到目前为止，最关键的、对时间/安全敏感的动作是在出现障碍时刹车。

刹车距离（将速度降至零所需的距离）是初始车速和安全/舒适的减速（通常为0.3g或约3m/s²）的函数。所需的感知范围是车辆速度和延迟时间的函数。

延迟时间是指获取原始传感器数据和应用安全动作（在本例中是刹车）之间的时间间隔，因为在此期间车辆仍在继续移动，因此延迟时间会影响所需的感知范围。较高的延迟时间要求较低的车速或较高的范围。图1显示了这三个量之间的关系。

图1：避障所需感知范围（0.3g制动）

多大的范围是足够的，承诺更高的范围有什么影响？在不久的将来（5-10年），L4车辆在高速公路上的运行速度不可能超过60-70英里/小时。在这些速度下，大约200-250米的范围似乎是足够的。

重型卡车在制动时需要更低的减速水平、更高的范围。然而，较低的速度（55-60英里/小时）确保200-250米的范围是足够的。

天气是另一个需要考虑的因素——恶劣天气下的减速水平较低，但车辆速度也较低，这使得200-250米的范围成为一个合理的操作目标。

获得更高的目标识别范围是昂贵的，因为需要消耗更多的激光雷达资源（激光功率、更灵敏的探测、更高的功耗等）。

有一些争论是关于提高极限的，比如增加安全边际和特定的用例（例如，糟糕的道路、恶劣的天气等）。但是使用这个性能指标的缺点是，在对象分辨率等其他参数方面有所妥协，如图2所示。

图2：随着范围的增加，目标分辨率下降

对象分辨率决定了识别的置信度，这对自动驾驶汽车的感知和控制行动至关重要。检测和识别轮胎碎片或一块砖头（通常为6英寸或15厘米）通常需要8厘米的分辨率（至少需要2个像素来识别，3个像素则是理想的）。

将范围从200米翻倍到400米，需要将角分辨率从0.5 mrad提高到0.25 mrad，使原始数据量和计算带宽增加2倍。这导致了更高的光学和计算成本。它还会增加了延迟时间，需要更高的感知范围或降低车速（见图1）。希望图3能更清楚地阐述这种循环性。

图3范围-分辨率-速率难题：1）高速和延迟需要更高的范围，这2）需要更高的分辨率，3）更高的分辨率导致更高的数据速率以及4）较低的帧速率，从而产生5）更高的延迟和6）更低的速度

承诺越来越高的探测范围并不是卓越激光雷达的秘诀。需要考虑使用情况和相互关联的系统规格，如分辨率、帧率和延迟。

必须澄清的是实现更远范围的确切条件和定义（反射率、置信度、延迟、照明条件、角分辨率等），并且需要明确说明在这个范围内实现的感知功能（检测、识别、鉴别）。

随着激光雷达成为关键的安全传感器，它们需要在普遍接受的标准和规格方面成熟起来。