[首發(fā)于智駕最前沿微信公眾號]激光雷達(dá)是自動駕駛汽車重要的感知硬件之一，已成為許多車企的主流選擇。激光雷達(dá)不斷向周圍環(huán)境發(fā)射激光束，并接收從物體表面反射回來的光信號，依據(jù)光的飛行時(shí)間計(jì)算出目標(biāo)的距離、位置，從而生成三維點(diǎn)云。基于這一原理，激光雷達(dá)能夠?yàn)樽詣玉{駛系統(tǒng)提供對前方障礙物清晰、精準(zhǔn)的感知能力。

但在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)激光束照射到如車牌金屬層、鋁合金交通標(biāo)志牌或反光膠貼等反射率極高的表面時(shí)，其反射過程便無法與常規(guī)物體那樣“理想”。這些表面會將大量激光能量幾乎無損地沿原路強(qiáng)烈反射回接收器。由于激光雷達(dá)接收器對強(qiáng)反射信號極為敏感，這種情形容易在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中引發(fā)“鬼影”與“膨脹”的問題。這些因高反射表面引起的點(diǎn)云誤差，無疑給后續(xù)的感知算法帶來非常大的挑戰(zhàn)。

鬼影和膨脹是個(gè)啥？

所謂鬼影，就是指點(diǎn)云中出現(xiàn)了實(shí)際環(huán)境并不存在的虛假物體輪廓。舉個(gè)例子，一塊位于車輛左側(cè)的交通標(biāo)志牌，其強(qiáng)反射信號可能在點(diǎn)云中于車輛前方或右側(cè)錯(cuò)誤地生成一個(gè)類似的點(diǎn)云簇，導(dǎo)致系統(tǒng)誤判為真實(shí)障礙，引發(fā)不必要的減速或避讓，這會嚴(yán)重影響感知可靠性。

含有“鬼影”的點(diǎn)云

膨脹則是指真實(shí)物體的點(diǎn)云輪廓因信號過強(qiáng)而向外擴(kuò)散，使其尺寸被顯著放大。繼續(xù)以一個(gè)例子來理解下，一塊寬僅幾十厘米的反光標(biāo)牌，可能在點(diǎn)云中呈現(xiàn)為一兩米寬的模糊團(tuán)塊。這不僅影響對物體實(shí)際尺寸的準(zhǔn)確判斷，還會干擾后續(xù)的障礙物分類、跟蹤等關(guān)鍵感知任務(wù)。

路牌點(diǎn)云“膨脹”

這兩種誤差都會直接增加感知算法精準(zhǔn)識別與環(huán)境理解的難度。

為什么高反射物體會讓激光雷達(dá)出問題

從剛剛的兩個(gè)概念中我們會發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)云出現(xiàn)鬼影和膨脹的問題，都是高反射物體造成的。要理解這些問題出現(xiàn)的原因，需要回到激光雷達(dá)的信號發(fā)射和接收機(jī)制本身。激光雷達(dá)發(fā)射的光是非常短的脈沖，它們在空間中擴(kuò)散，然后擊中物體表面。一部分光被吸收，一部分光被散射，還有一部分被反射回傳感器。感知系統(tǒng)會根據(jù)返回光的時(shí)間來計(jì)算距離位置。

正常情況下，大多數(shù)物體都是漫反射表面。所謂漫反射，就是光打上去以后向各個(gè)方向平均散開，返回到接收器的只有一小部分，它們的強(qiáng)度相對適中，信號和噪聲比（SNR）穩(wěn)定。

但高反射物體并不是漫反射表面，它們屬于高反射表面甚至是角反射體。所謂角反射體，就是指光線打上去之后大部分能沿入射方向原路返回（類似交通標(biāo)牌上的那種材料效果）。這種物體會在短時(shí)間內(nèi)把很多光“推回”激光雷達(dá)接收器。由于物體表面和入射角的不同，高反射物體產(chǎn)生的激光回波強(qiáng)度會遠(yuǎn)高于漫反射物體。

這種強(qiáng)反射帶來的直接結(jié)果，就是接收器會捕獲到強(qiáng)度異常高的回波信號。激光雷達(dá)的探測器依據(jù)信號強(qiáng)度進(jìn)行判斷，當(dāng)遇到如此強(qiáng)烈的回波時(shí)，便會將其直接認(rèn)定為有效的空間反射點(diǎn)，從而把這些異常信號當(dāng)作真實(shí)物體的位置信息予以記錄和處理。

有些強(qiáng)反射有時(shí)還不是直接返回，其可能發(fā)生多次反射或者在不同路徑上傳播后再反射回來。如光線在傳感器內(nèi)部某些表面反射之后，再次被高反射目標(biāo)反射回來，這種經(jīng)過額外路徑的信號也可能被接收器捕捉到。由于這類多次反射回來的信號實(shí)際經(jīng)過的時(shí)間比直接反射要長，系統(tǒng)就會錯(cuò)誤地認(rèn)為這個(gè)點(diǎn)離得更遠(yuǎn)，從而在點(diǎn)云上形成“在真實(shí)物體后方”的虛假點(diǎn)，也就是鬼影。

還有一種情況是當(dāng)高反射信號太強(qiáng)的時(shí)候，會對雷達(dá)內(nèi)部多個(gè)通道之間產(chǎn)生串?dāng)_。激光雷達(dá)通常由許多發(fā)射和接收通道組成，它們在同一時(shí)間內(nèi)同時(shí)工作。當(dāng)某個(gè)通道接收到過強(qiáng)的反射時(shí)，這個(gè)強(qiáng)信號可能會泄漏到其他通道的接收模塊里，使得那些通道錯(cuò)誤地產(chǎn)生點(diǎn)。這種不同通道之間的干擾，也是鬼影產(chǎn)生的一個(gè)重要原因。

鬼影和膨脹為什么看起來那么“像真的”

理解了信號為何出錯(cuò)，我們就可以解釋為什么鬼影和膨脹看起來特別容易迷惑自動駕駛系統(tǒng)。

激光雷達(dá)輸出的是點(diǎn)云數(shù)據(jù)，每一個(gè)激光脈沖返回后都會在三維空間里生成一個(gè)點(diǎn)，表示那里有反射體。如果這些點(diǎn)來自真實(shí)障礙物，那么整個(gè)點(diǎn)云就描述了障礙物的形狀和位置。但如果這些點(diǎn)是錯(cuò)誤的返回結(jié)果，它們在空間里的分布仍然可能形成一個(gè)看起來有結(jié)構(gòu)、有形狀的團(tuán)簇，這樣的虛假的“形狀”在視覺上也會被感知算法錯(cuò)誤識別為真實(shí)物體。

高反射物體除了在真實(shí)位置反射，也會在附近產(chǎn)生多個(gè)不同距離、不同角度的次級反射回波。這些次級回波還不是真正的噪點(diǎn)，而是有一定規(guī)律的分布，這就讓錯(cuò)誤點(diǎn)看起來有連續(xù)性。算法在聚類分析或分類判斷的時(shí)候會把它們當(dāng)成真實(shí)目標(biāo)的延伸，從而誤判目標(biāo)尺寸、方位甚至移動軌跡。

膨脹現(xiàn)象有點(diǎn)像“點(diǎn)云模糊”。因?yàn)楦叻瓷湫盘柕膹?qiáng)度和接收器的動態(tài)響應(yīng)可能導(dǎo)致飛行時(shí)間的微小誤差，或者影響激光束在周邊空間的探測結(jié)果。這就使得原本應(yīng)該集中在物體表面的點(diǎn)云被“拉散”了一點(diǎn)，看上去比實(shí)際更寬、更大。雖然這些點(diǎn)并不是虛假物體，但它們在空間分布上的擴(kuò)散讓感知系統(tǒng)誤以為物體比實(shí)際更大。

最后的話

高反射物體帶來的激光雷達(dá)鬼影和膨脹現(xiàn)象，是激光雷達(dá)技術(shù)必須面對的難題。其背后的根本原因，就是高反射表面產(chǎn)生了異常強(qiáng)的回波信號和多路徑反射，導(dǎo)致接收器接收到的信號不再是簡單的一次主反射，而是夾雜了大量次級返回和串?dāng)_。這些錯(cuò)誤信號被誤當(dāng)成真實(shí)點(diǎn)，就形成了看似真實(shí)卻不存在的點(diǎn)云結(jié)構(gòu)（鬼影），或者把真實(shí)物體的點(diǎn)云范圍拉得更大（膨脹）。只有解決這些問題，才能讓自動駕駛的感知更加精準(zhǔn)。