【導(dǎo)讀】激光雷達(dá)作為自動(dòng)駕駛和智能機(jī)器人感知環(huán)境的核心傳感器，依靠發(fā)射激光并接收反射信號(hào)來(lái)構(gòu)建精確的三維點(diǎn)云圖。然而，在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，灰塵等微小顆粒卻可能成為其“看不見(jiàn)的敵人”。本文將深入解析激光雷達(dá)的工作原理，揭示灰塵如何通過(guò)散射、吸收和污染視窗等方式干擾激光信號(hào)，并探討由此引發(fā)的識(shí)別誤差、探測(cè)距離縮短乃至誤判風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，我們還將介紹當(dāng)前應(yīng)對(duì)灰塵干擾的多種技術(shù)手段，從硬件抗污設(shè)計(jì)到智能算法濾波，再到多傳感器融合策略，幫助系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中保持穩(wěn)健可靠的感知能力。
激光雷達(dá)的“眼睛”是怎么工作的？
在聊灰塵為什么會(huì)影響激光雷達(dá)的識(shí)別效果前，需要先厘清激光雷達(dá)是如何工作的。
激光雷達(dá)（LiDAR，全稱LightDetectionandRanging）是一種主動(dòng)傳感器，它自己發(fā)出激光光束，激光束在碰到周圍物體后會(huì)反射回來(lái)。通過(guò)測(cè)量每個(gè)激光脈沖從發(fā)射到返回所需要的時(shí)間，就可以算出目標(biāo)物體的距離和方向，從而構(gòu)建出周圍環(huán)境的三維點(diǎn)云圖。
這種設(shè)計(jì)在理想狀態(tài)下可以獲得非常準(zhǔn)確的環(huán)境信息，但如果遇到如雨滴、煙霧、灰塵等物體時(shí)，會(huì)受到非常大的影響，這些障礙物會(huì)影響激光束，從而影響返回的信號(hào)質(zhì)量。
灰塵是如何干擾激光信號(hào)的？
在人類駕駛汽車時(shí)，若環(huán)境中有灰塵，其實(shí)影響并不大。但對(duì)于激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)，灰塵其實(shí)是一個(gè)非常麻煩的干擾源。
當(dāng)激光束遇到空氣中的灰塵顆粒時(shí)，會(huì)發(fā)生散射現(xiàn)象，原本應(yīng)該直線傳播的光被灰塵粒子打偏。這樣的散射會(huì)讓返回信號(hào)變得更弱、更模糊，甚至一些光可能根本回不到接收端去?；覊m越多，光斑散射會(huì)更嚴(yán)重，探測(cè)到的有效信號(hào)就越弱，最終表現(xiàn)為點(diǎn)云數(shù)據(jù)的噪聲增加、物體輪廓變得不清晰，甚至讓系統(tǒng)誤判沒(méi)有障礙物存在。
除了偏折光線外，灰塵還會(huì)讓光束在傳播過(guò)程中損失能量，導(dǎo)致雷達(dá)接收端接收到的信號(hào)強(qiáng)度下降。信號(hào)強(qiáng)度一旦降到傳感器的噪聲水平附近，就很難準(zhǔn)確區(qū)分真實(shí)反射和背景噪聲，這會(huì)直接影響測(cè)距精度和對(duì)遠(yuǎn)距離物體的識(shí)別能力。
灰塵還會(huì)導(dǎo)致激光雷達(dá)視窗污染，激光雷達(dá)發(fā)射和接收光束需要透過(guò)一個(gè)透明的保護(hù)玻璃或窗口。如果這個(gè)視窗表面附著了灰塵，并且隨著時(shí)間逐漸積累變厚，激光在穿越這層污染層時(shí)就會(huì)產(chǎn)生漫反射和吸收，光束出去和回來(lái)的信號(hào)就被削弱甚至改變方向。這種物理的遮擋對(duì)點(diǎn)云的整體質(zhì)量影響極大，不僅會(huì)讓距離測(cè)量不準(zhǔn)，還可能讓系統(tǒng)誤以為前方有障礙或根本沒(méi)看到真實(shí)的物體。
灰塵影響識(shí)別質(zhì)量的實(shí)際表現(xiàn)
知道了灰塵是怎么干擾激光信號(hào)的，我們?cè)賮?lái)看這些干擾在真實(shí)應(yīng)用中會(huì)帶來(lái)什么后果。
在自動(dòng)駕駛或機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)中，激光雷達(dá)的作用是幫助車輛理解周圍的三維空間。如果點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量差，系統(tǒng)就很難準(zhǔn)確分辨前方是空曠的路面還是一個(gè)障礙物。這種誤判可能會(huì)讓車輛提前剎車、忽略真實(shí)障礙，甚至執(zhí)行錯(cuò)誤的避障動(dòng)作。特別是在一些粉塵飛揚(yáng)的工廠、礦區(qū)等場(chǎng)景里，因?yàn)榇罅啃☆w粒懸浮在空氣中，持續(xù)干擾激光傳播，這種干擾就更明顯。
另一個(gè)常見(jiàn)的表現(xiàn)是點(diǎn)云的噪點(diǎn)增多。在晴朗無(wú)塵的環(huán)境下，激光雷達(dá)返回的點(diǎn)云主要來(lái)自于實(shí)際物體表面，那些點(diǎn)排列有序、反映真實(shí)界面。但如果空氣中充滿灰塵，那么很多光束會(huì)被灰塵散射后返回，這些雜亂的返回信號(hào)就會(huì)在點(diǎn)云中生成大量與真實(shí)物體無(wú)關(guān)的“噪點(diǎn)”。這些無(wú)意義的點(diǎn)會(huì)干擾后續(xù)的幾何計(jì)算和目標(biāo)識(shí)別算法，使得整個(gè)系統(tǒng)的感知準(zhǔn)確率下降。
灰塵對(duì)識(shí)別距離的影響也不容忽視，在灰塵密集的環(huán)境中，由于激光信號(hào)能量的快速衰減，有效的檢測(cè)距離會(huì)縮短。也就是說(shuō)，在正常條件下能準(zhǔn)確識(shí)別100米之外的物體，在灰塵環(huán)境下可能只能識(shí)別50米甚至更短距離范圍內(nèi)的物體。對(duì)于高速行駛的自動(dòng)駕駛車輛來(lái)說(shuō)，這樣的感知盲區(qū)將帶來(lái)潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。
有些灰塵粒子還會(huì)被誤判為真實(shí)障礙物。比如在空氣中漂浮的細(xì)小顆粒會(huì)反射回來(lái)一些微弱信號(hào)，這些信號(hào)可能被算法誤認(rèn)為是小的障礙物，從而導(dǎo)致虛假的緊急制動(dòng)或避障行為。這時(shí)系統(tǒng)雖然“看起來(lái)”很忙，但實(shí)際上是在對(duì)本不該存在的障礙做出反應(yīng)。
如何減輕灰塵對(duì)激光雷達(dá)的影響
針對(duì)灰塵干擾，其實(shí)已經(jīng)有不少對(duì)策被提出和應(yīng)用。
一種思路是從硬件上減少灰塵對(duì)視窗的附著。在雷達(dá)的外殼材料和涂層設(shè)計(jì)上，采用高透光性且抗污能力強(qiáng)的材料，可以減少灰塵在保護(hù)罩上的積累，從而保證激光盡量少受遮擋。比如一些應(yīng)用場(chǎng)景中，會(huì)使用表面帶有納米抗污涂層的保護(hù)罩，使灰塵不易粘附，延長(zhǎng)設(shè)備的清潔周期。
在軟件層面，行業(yè)內(nèi)也開(kāi)發(fā)了針對(duì)性的濾波和識(shí)別算法。這些算法會(huì)結(jié)合激光回波的強(qiáng)度、距離以及點(diǎn)云周圍點(diǎn)的分布情況，來(lái)判斷哪些點(diǎn)更可能是灰塵散射產(chǎn)生的噪聲，然后把它們從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中剔除。這樣的“去塵算法”能在一定程度上還原真實(shí)環(huán)境的點(diǎn)云信息，并減少虛假障礙物的影響。
還有一種方法是傳感器融合，就是把激光雷達(dá)和其他類型的傳感器結(jié)合起來(lái)一起用。像是攝像頭就可以提供圖像信息，幫助區(qū)分灰塵和真實(shí)目標(biāo)，毫米波雷達(dá)對(duì)雨霧灰塵的穿透能力更好，將他們結(jié)合起來(lái)就能形成更魯棒的感知系統(tǒng)，在復(fù)雜環(huán)境中比單一激光雷達(dá)可靠得多。
在一些特殊的極端場(chǎng)景，還會(huì)加入主動(dòng)清潔措施，比如在激光雷達(dá)外部加裝吹氣裝置、刷子或者其他機(jī)械清潔模塊，定期把視窗表面的灰塵清理掉。不過(guò)這類方案成本和維護(hù)要求較高，主要用于工業(yè)或特殊機(jī)器人環(huán)境。
總結(jié)
盡管激光雷達(dá)在理想條件下能提供高精度的環(huán)境感知，但灰塵等現(xiàn)實(shí)因素對(duì)其性能構(gòu)成了不容忽視的挑戰(zhàn)。理解灰塵干擾的物理機(jī)制及其對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的影響，是提升系統(tǒng)魯棒性的關(guān)鍵一步。隨著抗污材料、智能去噪算法和多傳感器融合技術(shù)的不斷進(jìn)步，激光雷達(dá)正逐步增強(qiáng)在惡劣環(huán)境中的適應(yīng)能力。
