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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。
( y7 `1 l% I* u0 J% V% n) i2 M0 K 1. 原理简单，毫米波/激光/超声波$ D7 V( O( l3 s( L+ {% N/ T' m
介绍激光雷达之前，先了解雷达。
! C' h2 n2 }4 b8 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。 " S- J5 _! ?5 N7 x8 B) o i
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。
; B7 S7 Z J' j4 k+ M: N5 g 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。 0 ~# ]6 f8 o. E: H8 R3 P O e
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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/ X8 s1 u6 y* c3 c+ {* n: l 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。 $ R2 i& \6 X1 V4 O
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 {' ~0 U: P6 Y7 r 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。
* K$ P: [* c/ g0 a5 r 下图为电磁波图谱： 1 f( G K) U( j: {
. Y2 q+ b; s/ [+ x: `: l f 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。 8 o! M5 _. X" l9 T3 \1 V- t
目前应用于汽车无人驾驶的雷达主要有三种：
" c; O: W. L0 l- [& s 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；
& E2 K6 |' z6 _) g1 D 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； 7 z$ ]. l* u* F' f. a' c8 {* i
3. 频率高于20000Hz的超声波雷达；
- A0 s, j" P% t- ]7 b! ^# ~ 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。
5 A+ ]1 M% ?9 S' t7 v6 Y 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。 # J0 r4 A/ G1 W' j; `4 x( f
5 T8 K7 J" D/ R& ]9 o9 ?5 w 2. 最大优势：三维点云建模
- A' Y! \$ Y1 U! V) Y# W 了解了雷达之后，开始介绍激光雷达。 3 c7 E1 l1 t8 `) V' d+ 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。
4 c1 F4 U$ b. O, O$ q 与雷达工作原理类似，激光雷达通过发射和接收激光束。
, O2 K5 C% J5 b2 L; y. } 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。 1 {/ A: }' x- }/ f1 p3 w7 J
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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: K" `) j0 Q. S6 D' b 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。
& D, ]4 u0 x; W6 [2 i5 {9 N* 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。
6 b- ]3 [4 G7 [ J; |, t+ N; J 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。 7 a. u' a' N) A# Z4 E7 i& v+ V& |
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。 % }6 z8 E$ _. C) Y
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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, I: a( K" z1 |- c 3. 工作原理和组成：四大系统，八个指标
/ C8 o& {# d. G. O7 s 激光雷达 = 激光发射+激光接收+信息处理+扫描系统 . z) {% S2 ~; P$ x7 @6 A
下图所示为激光雷达系统组成：
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2 e+ |% `- G @! c 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；
( s5 E/ r7 f u: U& i1 k 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 W5 B$ D7 S8 G. m; a
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。
, X0 k" K1 f5 U. r+ E2 N, C) b" J 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。
3 R/ u6 a6 s, e9 ~ ] 下面放一张动图，更加形象生动： 3 O! M- s; g6 d' D& Q3 e
' W/ F9 N0 f# {7 `( J% e& i8 G 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。
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激光雷达实物具体什么样？: O2 V; l) [/ R" c( e% ?6 e/ N
下图为Velodyne公司的64线激光雷达HDL_64E。 & H" b/ z+ V2 t% H5 J8 o! D
3 \3 e- _: v" {2 g 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）。 # U/ L. N) }5 Q5 b* L) k$ l% w
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。
; g0 d) d/ I8 ~# V4 a; 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
6 N) z! a+ c8 T" S7 `2 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）
9 B2 ~# o# w7 `. h( ]& J 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。 - ~- `9 e: ?0 }; G& ~% G! V: w" X+ p7 Z
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