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激光雷达全面分析总共四篇，本文为基础篇，包含雷达相关知识，激光雷达的介绍，工作原理，核心部件，技术指标。第二篇为技术篇，之后两篇是市场篇以及产业篇，欢迎关注。
: N$ V1 i" ~+ ^) U0 J% J 1. 原理简单，毫米波/激光/超声波* }$ x9 ]6 c' Y) Q: x
介绍激光雷达之前，先了解雷达。 ' N5 U2 ^# w9 [4 M. h6 t7 y8 I" X
雷达，是英文“Radar”的音译，英文全称为Radio Detection and Ranging，即无线电探测和测距。 - z2 [ [1 v+ D' x8 k2 D3 @
雷达向目标发射无线电波，通过发送信号与目标反射信号进行对比，来获得目标至发射点距离、距离变化率、方位、高度以及角度等信息。
, [# Y( ^+ m8 l* U3 n 按照发射电波的频率或波长，雷达主要有以下应用：
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雷达发明于19世纪，直到20世纪30年代初才开始流行，在二战时期声名鹊起。 ! P* _% u, Q0 i, ]' I! J+ P
1938年，盟军在英国泰晤士河口布置了200公里长的雷达网，给希特勒造成极大的威胁。随后，英国海军又将雷达安装在军舰上，在海战中发挥了重要作用。
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9 f9 w' j- [! F! z8 G4 ^2 w 雷达不仅运用在军事上，还可用于探测天气，海洋测绘，民用飞机航空管制，查找地下20米深处的古墓等。
* D1 D! B# B# @% i4 K8 B 虽然各种雷达的用途和结构不尽相同，但基本构造是一样的，简单来说都包括：发射器、接收器机和处理器。
0 ^, z6 ^, c/ L$ } 雷达发射无线电波，事实上，不论无线电波，还是我们平时看到的可见光，在本质上都是电磁波，在真空中传播的速度都是光速。 7 B. q9 O$ n% l9 _' c9 Y8 C1 a- B
下图为电磁波图谱：
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: ?* ~& S/ o! p6 H6 ~ 根据公式：光速= 波长 * 频率，频率越高，波长越短。波长越短，意味着分辨率越高；而分辨率越高，意味着在距离、速度、角度上的测量精度更高。
1 w% }4 t+ [3 A1 {/ x3 z G3 O 目前应用于汽车无人驾驶的雷达主要有三种：
& J1 b- S- K- Q: D 1. 介于微波和红外线之间，频率范围10GHz—200GHz，波长为毫米级，毫米波雷达； . Y* r7 z5 N8 X9 K7 b
2. 介于红外线和可见光之间，频率大致为10^14Hz（100000GHz），波长为纳米级，本文的主角——激光雷达；
5 ^, w0 Q8 S2 V E* Y4 k5 @1 x% X 3. 频率高于20000Hz的超声波雷达；
, Z* Q" r1 G9 L2 ]0 l 需要指出的是，毫米波和激光属于电磁波一种，是电磁场的一种运动形态；而超声波属于声波，是物体机械振动状态的传播，超声波振动频率大于20000Hz，一般人耳听不到。 * f# W4 j5 C( L! r
无论是普通雷达，激光雷达，毫米波雷达，或者超声波雷达，其工作原理都是一样的，发出信号，测量从物体反射回来的时间，由于光速恒定，因此可以通过测量时间来计算距离。这一物理学基础在过去一个世纪中并没有改变。 % j' w0 F$ D( C1 K* {
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2. 最大优势：三维点云建模- g7 R, g" W3 F1 o
了解了雷达之后，开始介绍激光雷达。
0 @0 { q; ~$ e- u/ h t 激光雷达（英文Lidar），英文全称为Laser Detecting and Ranging，即激光探测和测距。 $ U* s2 [7 D) X/ E
与雷达工作原理类似，激光雷达通过发射和接收激光束。
0 K" \* Z, m" N1 r! B 通过测量激光信号的时间差和相位差来确定距离，通过水平旋转扫描来测角度，并根据这两个参数建立二维的极坐标系，再通过获取不同俯仰角度信号获得三维中的高度信息。
" G5 ~9 e' E" k- A 高频激光可在一秒内获取大量（约150万个）的位置点信息（称为点云），并根据这些信息进行三维建模。 ' V) Y( e9 q) S, B, I
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除了获得位置信息外，激光信号的反射率可以区分目标物质的不同材质。激光雷达的维度（线束）越多，测量精度越高。
# ~ I+ z5 b% x3 M! Q: [ 由于激光频率高，波长短，所以可以获得极高的角度、距离和速度分辨率。 3 S f: q5 R. j1 t* s% |+ @+ `3 O( [
距离和速度分辨率高，意味着可以利用多谱勒成像技术，创建出目标清晰的3D图像，这就是激光雷达最大的优势。 & ^6 K2 ~) b* u \1 S/ ?( r/ z) X
在激光问世的第二年（1961年），就有人提出了激光雷达的设想，在1971年阿波罗15号任务中，美国宇航员使用激光高度计来绘制月球表面，让人们认识到激光雷达的准确性和实用性，得到了广泛的关注。 ) E3 ^9 F8 q- g2 ^; l
世界第一款汽车用激光雷达是美国Velodyne公司生产的64线激光雷达，首次亮相于2005年无人驾驶挑战赛。
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& }$ L' K# {3 f# F; T0 a 3. 工作原理和组成：四大系统，八个指标& k4 u3 m# _5 S/ J8 v+ ~
激光雷达 = 激光发射+激光接收+信息处理+扫描系统
3 {+ A. G9 a4 }1 s) e 下图所示为激光雷达系统组成： 5 l4 S1 r: R7 O( d; M1 K6 A' Y
7 m8 G: g0 a$ I7 a* z9 G' n 激光发射系统：激励源周期性地驱动激光器，发射激光脉冲，激光调制器通过光束控制器控制发射激光的方向和线数，最后通过发射光学系统，将激光发射至目标物体；
4 c+ T- t' R+ ` 激光接收系统：经接收光学系统，光电探测器接受目标物体反射回来的激光，产生接收信号；
9 v' }( D6 v7 a- z 信息处理系统：接收信号经过放大处理和数模转换，经由信息处理模块计算，获取目标表面形态、物理属性等特性，最终建立物体模型。
5 h, v, A+ e1 f/ u+ {4 M 扫描系统，以稳定的转速旋转起来，实现对所在平面的扫描，并产生实时的平面图信息。 2 M8 x5 w% f$ ^ Z0 S+ m
下面放一张动图，更加形象生动：
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8 _8 x. N9 S& F- u! I8 @ 下图为激光雷达的核心器件，除了光学镜片之外，大部分都为电子元器件。 4 i$ M) V# G6 o, Q d$ `0 H
! F2 O) ~% Z8 H; n8 Y# [ 激光雷达实物具体什么样？
( N3 N9 x! C' s- n 下图为Velodyne公司的64线激光雷达HDL_64E。 , C P! O x4 L/ J- Y
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该雷达前端上下分布有四组激光发射器（每组16个发射机，共64个）和两组激光接受器（每组32个激光接收机，对应64个）。 " Y' Y- Q# u: n; j. e4 @; W6 ?
在电路的控制下，发射机和接收机按照时间顺序轮流工作，在水平和俯仰方向形成光学扫描。 : i: ` I3 H! o5 a0 J7 c' N# j
一般来说，用以下八个技术指标来评价激光雷达： 最大辐射功率：决定是否需要防护水平视场：是否360度全视角旋转垂直视场：俯仰角角度（30度/15度）光源波长：光学参数（纳米级别）测量距离：是否满足长距离探测（200米）测量时间和帧频率：激光返回一圈的时间纵向和水平分辨率：对算法影响大，精度越高越贵测距精度：厘米级( H c& F/ l% O: H$ U
（下一篇技术篇，包括激光雷达的分类，关键技术以及主要挑战，敬请期待）
( V3 o0 l$ R3 e1 v% L3 H$ d- [ [ 本文为“汽车人参考”原创，如果您觉得文章不错，转发此文，关注“汽车人参考”是对我们最大的支持。
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