激光雷達(dá)物理結(jié)構(gòu)小改動(dòng)，噪音降低10000倍！南開(kāi)校友新成果 | IEEE

賈浩楠 2023-10-06 22:55:36 來(lái)源：量子位

賈浩楠 發(fā)自 副駕寺智能車(chē)參考 | 公眾號(hào) AI4Auto

光學(xué)大佬出手，激光雷達(dá)噪音降低10000倍！

南開(kāi)大學(xué)校友、美國(guó)羅文大學(xué)光學(xué)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Ben Wu帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)給出了一項(xiàng)可能改變自動(dòng)駕駛、智能汽車(chē)形態(tài)的最新研究進(jìn)展：

利用物理層面的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并使用盲源分離技術(shù)，使激光雷達(dá)信號(hào)處理工作量大大減少。

多傳感器冗余，盡管現(xiàn)在被認(rèn)為是最可靠的自動(dòng)駕駛方案，也是除特斯拉以外幾乎所有玩家采用的技術(shù)路線(xiàn)。

但問(wèn)題也不少，比如數(shù)據(jù)類(lèi)型多、數(shù)據(jù)量大，對(duì)后期信號(hào)處理算法、算力資源要求非常高。

通俗的理解就是：自動(dòng)駕駛“大力”能出奇跡，但太大的力會(huì)讓成本失控，經(jīng)濟(jì)上沒(méi)法量產(chǎn)落地。

這項(xiàng)發(fā)表在IEEE的最新研究，就是在激光雷達(dá)性能和系統(tǒng)成本控制之間，尋找一個(gè)平衡。

激光雷達(dá)噪音立降10000倍

先看這項(xiàng)研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)置了一個(gè)波長(zhǎng)為1550nm的激光雷達(dá)發(fā)射器，這也是常用車(chē)規(guī)激光雷達(dá)的波長(zhǎng)規(guī)格，在探測(cè)距離和人眼安全方面有較大優(yōu)勢(shì)。

通過(guò)光強(qiáng)度調(diào)制器，使激光雷達(dá)發(fā)射器發(fā)出最小分辨率為48mm的光束，并且照到一個(gè)模擬障礙物的反光鏡上：

光線(xiàn)被反射后，由激光雷達(dá)端的雙接收器同時(shí)接收并使用盲源分離技術(shù)解調(diào)，這也是這項(xiàng)研究主要的創(chuàng)新點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)選擇一個(gè)寬帶激光器來(lái)產(chǎn)生干擾信號(hào)（采樣率為20 GHz的高斯分布噪聲），以模擬容易干擾激光雷達(dá)傳感器的信號(hào)的寬光譜，而唯一的變量是光源的功率大小。

進(jìn)行反復(fù)多次實(shí)驗(yàn)之后發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)障礙物的激光雷達(dá)發(fā)射信號(hào)每次都能夠被充分分離并識(shí)別，干擾抑制比達(dá)到40dB。

dB是一個(gè)計(jì)數(shù)概念，是一個(gè)比值，本身沒(méi)有單位。降噪40dB，從信號(hào)幅值來(lái)看，意味著減少到了原信號(hào)1/100；從能量角度來(lái)看，意味著減少為原信號(hào)的1/10000。

也就是說(shuō)，激光雷達(dá)回波信號(hào)的噪音，最高能降低10000倍！自然代表著激光雷達(dá)傳感器的信號(hào)處理任務(wù)難度大幅度降低。

其實(shí)，之前一直有兩種傳統(tǒng)的激光雷達(dá)降噪方法，其一是模式識(shí)別，通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)唯一可識(shí)別的信號(hào)來(lái)代替脈沖，然后使用算法從干擾信號(hào)之中識(shí)別分離目標(biāo)信號(hào)，從而產(chǎn)生噪聲免疫。

其二是數(shù)字信號(hào)處理方式，通過(guò)小波域空間濾波等技術(shù)來(lái)去除回波中的噪聲。

兩種方式的確能降噪，但都會(huì)增加系統(tǒng)延遲，且無(wú)法避免測(cè)量誤差，最重要的，這些方法都要求更大更強(qiáng)的計(jì)算能力做支撐。

而B(niǎo)en Wu博士團(tuán)隊(duì)的解決方法，是從物理層面進(jìn)行雷達(dá)回波的降噪。

怎么做到的？

主要手段有兩個(gè)。

物理層面，將激光雷達(dá)接收器由常規(guī)的1個(gè)變成2個(gè)。

光的亮度隨著它在空間中傳播而衰減，并且當(dāng)它以銳角進(jìn)入透鏡時(shí)尤其變暗，而亮度本身其實(shí)就是光的功率。

使用兩個(gè)不同的接收器從兩個(gè)不同的角度接收激光雷達(dá)信號(hào)，可以在系統(tǒng)中產(chǎn)生一個(gè)混合的信號(hào)組合然后使用盲源分離技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的處理。

盲源分離是一種應(yīng)用在多輸入多輸出系統(tǒng)的信號(hào)區(qū)分方法，在本項(xiàng)研究的雙激光接收器條件下，兩組信號(hào)的混合可以描述成一個(gè)二階矩陣：

其中，x1和x2是接收到的信號(hào)，s1和s2是傳輸信號(hào)，a是關(guān)于頻率的函數(shù)，描述了系統(tǒng)中每個(gè)信號(hào)向一個(gè)接收端口傳播時(shí)的傳輸系數(shù)。

這樣一來(lái)，混合信號(hào)的“解耦”可以簡(jiǎn)化為執(zhí)行這個(gè)線(xiàn)性方程的逆運(yùn)算。

而關(guān)鍵的“解耦矩陣”，可以根據(jù)激光雷達(dá)的設(shè)計(jì)特性參數(shù)得到，并使用光電探測(cè)器和光學(xué)可調(diào)諧衰減器和延遲來(lái)實(shí)現(xiàn) 。

雙接收器創(chuàng)造混合信號(hào)+盲源分離的激光雷達(dá)降噪方法，幾乎沒(méi)增加任何系統(tǒng)延遲，同時(shí)大大提高了測(cè)量精度，也不需要對(duì)回波信號(hào)產(chǎn)生的一側(cè)做任何加工處理。

完全使用物理方法實(shí)現(xiàn)對(duì)激光雷達(dá)信號(hào)的降噪，避免了激光雷達(dá)數(shù)據(jù)成為整個(gè)系統(tǒng)的累贅，占用大量計(jì)算資源。

而這樣的進(jìn)步，也讓激光雷達(dá)的普及和實(shí)用性大大提升，給自動(dòng)駕駛、智能汽車(chē)帶來(lái)變革。

有什么意義

激光雷達(dá)現(xiàn)階段在自動(dòng)駕駛中的應(yīng)用，其目的是作為純視覺(jué)信息的“兜底”和冗余，尤其在惡劣天氣和光照條件下，提供可信的路況數(shù)據(jù)。

既為冗余，本不應(yīng)該占用系統(tǒng)過(guò)多的計(jì)算資源，也不應(yīng)該成為系統(tǒng)延遲的主要原因。

尤其是在目前800萬(wàn)像素?cái)z像頭普及的情況下，車(chē)端每一TOPS的算力，都十分珍貴。

所以這項(xiàng)研究的意義在于，保證激光雷達(dá)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度的前提下，提出了幾乎不增加整個(gè)系統(tǒng)算力、通信成本的有效降噪方案。

當(dāng)然激光雷達(dá)接收端的硬件方案改變，會(huì)增加生產(chǎn)的物料開(kāi)銷(xiāo)。

但在規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)前提下，這些Tier 2甚至Tier 3級(jí)別的供應(yīng)鏈成本，很容易被攤銷(xiāo)。

也就是說(shuō)，一個(gè)激光雷達(dá)的終端價(jià)格與之前相比，幾乎不會(huì)有太大變化。

幾乎持平的成本，更好的性能，更節(jié)省的算力開(kāi)支，車(chē)端在搭載相同甚至更高性能的智能駕駛系統(tǒng)時(shí)，不需要采購(gòu)更大更貴的芯片。

更有利于激光雷達(dá)的普及上車(chē)，以及整個(gè)系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定性。

當(dāng)然還有另外一層優(yōu)勢(shì)，激光雷達(dá)端的算力需求降低后，視覺(jué)算法就能分到更多資源，間接促進(jìn)了迭代進(jìn)步。

光學(xué)領(lǐng)域新進(jìn)展，促進(jìn)自動(dòng)駕駛技術(shù)進(jìn)步和落地，誰(shuí)能想到呢？

團(tuán)隊(duì)介紹

這項(xiàng)研究來(lái)自美國(guó)羅文大學(xué)光子計(jì)算和通信實(shí)驗(yàn)室。

一作James Garofolo，羅文大學(xué)計(jì)算機(jī)系畢業(yè)，目前正在羅文大學(xué)光子計(jì)算和通信實(shí)驗(yàn)室攻讀研究生學(xué)位。

實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人，同時(shí)也是本文通訊作者——?Ben Wu博士。

本科畢業(yè)于南開(kāi)大學(xué)光學(xué)工程系2008級(jí)，后在普林斯頓大學(xué)獲得博士學(xué)位，現(xiàn)在在羅文大學(xué)任助理教授。

Ben Wu博士的研究方向結(jié)合了光信息科學(xué)和深度學(xué)習(xí)，特別是神經(jīng)形態(tài)計(jì)算以及顯微成像應(yīng)用，即利用光子軟硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能。