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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。 r$ u# A, C2 F& l
1. 原理简单，毫米波/激光/超声波1 q3 a. d* z7 K; L2 a# p8 \
介绍激光雷达之前，先了解雷达。 4 G) U, C. \) m$ S( O( b1 C& n5 M' U3 u
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。
/ R! G; N) \$ P2 B* W L 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。
+ f0 W4 h9 L+ G8 B 按照发射电波的频率或波长，雷达主要有以下应用： , W+ S/ G( U+ ?1 A- G0 X
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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/ c6 ~& e$ t 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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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。 5 P2 C( Y' G& E: s+ Z9 f* `
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。 ; }5 r; t v, v+ i, L: M
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。 : Q" [! H; V5 D+ ~4 |$ a2 f
下图为电磁波图谱：
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* t8 {0 ^) i# P; b6 E J4 k) E- ~ 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。
C0 S1 V. i; v3 @4 | 目前应用于汽车无人驾驶的雷达主要有三种：
8 z( s7 c+ `" p3 I0 [ 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； - T: v) X( f8 l0 Z
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；
' A; V& q$ j! C5 D+ _% @2 A 3. 频率高于20000Hz的超声波雷达； 5 t+ [* \( H' a K' P6 \6 R
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。
/ E; v& ^! \9 Q4 q 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。
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2. 最大优势：三维点云建模
; O0 {, D: E* d5 S 了解了雷达之后，开始介绍激光雷达。 . s9 r5 w( B% ?) h4 K
激光雷达（英文Lidar），英文全称为Laser Detecting and Ranging，即激光探测和测距。 ; E# z" @6 J: U2 k, ]$ R: i3 T t
与雷达工作原理类似，激光雷达通过发射和接收激光束。 ; J, w9 m7 ~1 K; s2 v, ^: |
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。
* p% Z8 K9 y z- b( p6 H 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。
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1 h' e. ^- J% V 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。
- \$ n" ~' H. d$ `2 \( z7 U; O 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。
. P9 Y" G' T6 I! @ 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。 9 i" h7 z0 N" u& ]' u
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。 ! u1 \; P: e. x# u
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。 ; h; W. r! [2 E
; r# H3 a7 Z- j 3. 工作原理和组成：四大系统，八个指标
# ^& g8 l- D9 S6 s 激光雷达 = 激光发射+激光接收+信息处理+扫描系统 2 q7 y9 A9 Z( ?7 u: t$ g. R
下图所示为激光雷达系统组成：
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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； 9 j5 @: A; O9 _5 g
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；
' v$ v6 f6 B% m' u" N2 y 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。 " [$ I$ L/ ^1 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。
, w k1 o: ?* G( h 下面放一张动图，更加形象生动： 9 @) \' k, [; n9 T. t4 s: e
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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。 * B7 A- W' Y& @6 d; c
% A2 e6 m6 g/ I1 B" M, {/ r 激光雷达实物具体什么样？
* [) @) A1 H7 D& U 下图为Velodyne公司的64线激光雷达HDL_64E。 , `3 M( v. O! x, j; _3 J# b
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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）。 - Z6 Q: |9 |; G" M, P/ j
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。 2 A. J7 M: J ^7 c% R0 G( E5 S
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
) T; \8 \; L+ {: I% u( k3 A3 V （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） * b+ E8 |5 @; ]; S; x% @+ d
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