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2023年9月26日，有着130年历史的知名跨国企业日本东芝集团宣布，其已开发出全球首款精度达99.9%的激光雷达（条件：汽车行驶距离激光雷达50米至115米，行人行走距离激光雷达80米至110米）。在目标跟踪和目标识别中，仅用激光雷达获得的数据就有98.9%的准确率。这些技术还显著提高了环境鲁棒性，以及在多种不同应用中使用激光雷达的潜力。

激光雷达是一种利用激光测量物体距离的光探测和测距技术，长期以来一直是高级驾驶和自动驾驶系统的支柱。最近，它与相机相结合，被用于创建数字孪生——真实世界对象和系统的虚拟副本，可用于模拟演示，以确定问题并改善许多行业的运营。

数字孪生不同于一般的模拟，它可以实时反映真实世界的变化。到目前为止，一般的模拟无法捕捉机械磨损，但现在传感器和人工智能可以收集和分析来自操作生产线和设备的大量数据，从而以虚拟形式准确再现现实世界的事件。

除了模拟特定过程的设备数字孪生，现在还出现了对空间数字孪生的需求——复制整个工厂或城市区域的能力(图1)。创建这些先进的数字孪生将支持各种移动设备的自动化，以及工厂和物流仓库的整体优化。在城市中，它们将缓解由事故和交通拥堵引起的问题(图2)。

图1:空间数字孪生应用图像

图2:空间数字孪生的移动自动化

创建空间数字孪生需要广域、高精度的空间传感技术，即使在恶劣天气下也能识别和跟踪物体，激光雷达被视为满足这些要求的技术。由于仅使用激光雷达获取的数据进行精确识别和跟踪很困难，因此它通常与相机一起使用，并将来自激光雷达的3D数据与相机的2D数据相结合。然而，完全消除数据之间的空间不对准是困难的，并且由于恶劣的天气，例如雨或雾，或者当由于安装位置的特征而存在盲点时，精确度也会下降。

东芝通过三项世界首创的激光雷达技术，推动了高精度空间数字孪生的实现。

1，2D/3D融合人工智能

仅使用激光雷达获取的数据精确识别和跟踪物体。

意识到激光雷达能同时获取2D数据（照明下）和3D数据，东芝融合了这些数据，并将人工智能应用于物体识别(图3，底部)。由于所有数据都是同时从相同的激光雷达像素中捕获，因此不需要调整视角或帧率，而当相机与激光雷达一起使用时，就需要调整(图3，顶部)。AI则消除了由未对准校正误差和振动导致的精度下降，它能以98.9%的准确度识别物体，包括车辆和人，这是目前世界上最高的准确度，并且在没有摄像头的情况下仍能以99.9%的精度跟踪它们，即使是在晚上、没有照明的条件下(图4)。

图3:传统方法和新的2D/3D融合人工智能对比

图4:使用新开发的2D-3D融合人工智能识别和跟踪车辆/行人的结果

（上图:2D数据；下图:3D数据）

2，雨/雾去除算法

使降低激光雷达测量精度的雨和雾伪影最小化。

激光雷达制造商通常会在产品中加入多重回波功能，目的在于仅检测物体的反射光。然而，在雨或雾中，从物体提取微弱的反射光信号是困难的，并且会产生精度问题。

东芝的解决方案是利用一种算法，使用AD转换器将来自雨雾中物体反射的光模拟数据转换为反射光强度的数字值。该算法使用雨或雾的反射光的特征波形来确定天气状况，并去除任何被确定为雨或雾的整个波形(图5)。测试发现，在每小时80毫米的大雨中，该算法将可探测距离增加了一倍，从20米增加到40米，在能见度为40米的雾中，从17米增加到35米(图6)。

图5:激光雷达的雨雾去除算法

图6:验证本研究中开发的雨雾去除算法的结果

3，可变测量范围技术

改变由激光雷达的距离和视角决定的探测范围。

东芝在2022年3月推出的新激光雷达技术使用了两个发射器，尺寸缩小到71cm3 ，将测距距离增加1.5倍，并改善广角成像，同时满足人眼安全标准。该公司现在已经改变了发射器的数量和镜头的配置(图7，顶部)，进一步扩大了探测范围，视角也扩大了6倍。

图7:广角模式下激光雷达可变测量范围技术演示的结果

测试中，在60 °( H ) × 34 °( V )视场角下，实现了120米的探测距离(图7)。在24° (H) × 12° (V)的视场角下，实现了350米的探测距离，为当前世界上最长的测量距离(图8)。这一进步为监控基础设施的空间数字孪生指明了方向，例如需要长距离测量的公路和铁路，以及需要广角性能的自动导引车辆运行的工厂和仓库。

图8:可变测量范围技术的应用和远程模式演示的结果

东芝集团表示，将继续研发“环境友好型”的激光雷达，并致力于固态产品的商业化。2025财年，该公司将通过推广广泛的激光雷达应用，包括移动自动化、基础设施监控和空间数字孪生，为建设具有弹性基础设施的安全社会做出贡献。