本文首发于智驾最前沿微信公众号，自动驾驶汽车想在复杂的高速公路或城市路况下实现安全行驶，前方的视线范围至关重要。
当车辆以120km/h的速度行驶时，紧急刹车和系统响应需要超过百米的深度感知距离。
作为自动驾驶的核心传感器，激光雷达的探测距离直接决定了系统的安全冗余，那激光雷达的探测距离由哪些因素影响？
01
发射端如何突破光能限制？
激光雷达测量距离采用的是飞行时间法，系统通过发射极短的激光脉冲，记录光束撞击目标并返回的时间差，进而通过光速计算出距离。
从能量角度来看，发射的激光脉冲峰值功率越高，飞向远方并能成功返回的光子数量就越多。
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然而，发射功率的提升面临着严格的物理与法规限制，其中最核心的就是人眼安全标准。
目前主流的飞行时间激光雷达主要采用905纳米和1550纳米两种波长。
905纳米激光器采用边发射激光器或垂直腔面发射激光器，其技术成熟、成本较低，且能直接使用便宜的硅基光电探测器。
但这个波长的光线能穿透人类眼球的晶状体并聚焦在视网膜上。
为了避免对人眼造成永久性灼伤，国际电工委员会对905纳米激光的发射功率制定了上限，这直接限制了它的最远探测距离。
为了追求更远的探测视距，高规格的激光雷达开始转向1550纳米波长，这一波长的红外光在到达视网膜之前，就会被眼球的晶状体和玻璃体吸收，无法在视网膜上聚焦。
因此，1550纳米激光雷达可以允许使用比905纳米高出数十倍甚至上百倍的脉冲功率。
配合昂贵的光纤激光器，就能轻松将光束送往更远的地方，实现两百米以上的超远距离感知。
02
目标物如何影响光线回收？
激光脉冲在空中飞行并接触到障碍物后，会向四周散射。
最终能有多少光子循着原路返回雷达的接收器，取决于目标物体的物理表面特性，在雷达技术中，我们用反射率来量化这种特性。
不同材质、颜色和粗糙度的物体，对激光的吸收和反射能力天差地别。
像是铝制的交通标志牌、白色的车身等高反射率的目标，能够将绝大部分的激光能量反射回来。
在这种理想条件下，激光雷达的探测距离可以达到极高水准，但在实际道路上，低反射率的物体才是常态。
如全身喷涂深色吸光车漆的黑色轿车，或是穿着深色衣物的行人，其表面反射率有时只有10%甚至更低，大部分激光能量在撞击物体瞬间就被吸收了，返回的光子就非常少。
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因为这个原因，行业在评估激光雷达的性能时，单纯看一个绝对的距离数字是没有意义的，其性能指标必须绑定反射率。
通常，行业会以在10%反射率下能看清多少米作为衡量核心探测能力的硬性标准。
只有在低反射率条件下依然能保持两百米左右探测能力的雷达，才能确保自动驾驶车辆在夜间及时发现危险的暗色障碍物。
03
接收端怎样捕捉微弱回波？
当历经衰减的微弱光子流返回雷达时，接收端传感器的灵敏度成了决定探测距离的另一大关键因素。
接收芯片不仅要能从纷乱的信号中检测到光子，还要有能力将微弱的信号放大到足以被数字化处理的程度。
早期的激光雷达主要依赖雪崩光电二极管，这种器件需要成百上千个光子同时撞击，才能产生足够强度的电信号。
这意味着如果距离太远、回波光子太稀疏，系统就会漏检。
为了突破这一瓶颈，新型激光雷达引入了光子探测技术，采用单光子雪崩二极管或硅光电倍增管。
这类传感器拥有极高的增益能力，哪怕只有单个光子触发，也能激发出明显的电信号，这也让雷达能够识别出极远距离处传回的微弱回波。
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除了接收芯片本身，光电系统的光学设计也扮演着重要角色。
接收镜头的有效孔径越大，意味着在空间中收集光子的漏斗开得越大，能够捕获的光子总量就越多。
同时，行业内还在发展调频连续波技术，与传统的脉冲技术不同，这种技术让发射光和接收光在芯片内部进行相干相长干涉。
通过这种本地光信号的放大效应，调频连续波雷达在极低的发射功率下，也能实现超远的探测距离，并且具备极强的抗干扰能力。
04
环境噪声如何压缩探测极限？
激光雷达在实际车载运行中，并不是在一个干净、纯粹的物理环境中工作，它必须对抗无处不在的环境背景噪声，太阳光就是最大的干扰源。
太阳光谱中包含了大量的红外波段，在盛夏的烈日下，密集的太阳光子会源源不断地涌入雷达的接收镜头。
这些无用的太阳光子如果触发了接收传感器，就会形成背景噪声。
当远方障碍物反射回来的有效光子淹没在汹涌的太阳光子海中时，接收端的光电信号比就会急剧下降，如果无法将信号从噪声中剥离，雷达就无法确认目标的距离。
为了解决这个问题，雷达内部会配置带宽极窄的滤光片，精准剔除绝大部分太阳光，只允许特定波长的激光通过，从而在强光环境下尽量维持原有的探测视距。
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空气中的介质分布则是另一个无法忽视的环境变量。
在晴朗的天气下，空气对激光的吸收和散射作用很小，但在大雾、暴雨、浓烟或沙尘天气中，空气中充斥着高密度的水珠或颗粒物。
激光在传播过程中会不断与这些微粒发生米氏散射，光能被迅速削弱并四散开来，这个话题智驾最前沿之前也专门聊过：自动驾驶激光雷达为什么在雨雾天气下表现不佳？
这种大气的衰减作用会使激光能量指数级下降，导致原本设计探测两百米的雷达在浓雾中可能只能看清数十米。
这也是目前整个自动驾驶行业在恶劣天气下面临的共同物理限制。
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