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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。
3 T0 H9 P+ l' }/ }6 V: e" B4 A0 p 1. 原理简单，毫米波/激光/超声波, w( N/ J# t% R* A* @0 J2 f
介绍激光雷达之前，先了解雷达。
( h- J# f4 S! l& z 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; f8 d7 H) v% C
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。
7 H+ ?0 @( I- X5 c 按照发射电波的频率或波长，雷达主要有以下应用： # l% i, ^, k0 |3 F6 B
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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。
/ Z2 p. k" X0 D/ }9 U5 l3 Y2 h 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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E/ K3 H8 ^) a( W9 F4 E+ | 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。 y. ?: r N6 t6 J9 Z
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。 9 R( u6 ~5 h+ \$ b0 Q! t) e
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。
e/ R9 d' u3 Q! o4 {- h, C" G; K 下图为电磁波图谱：
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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。
( ~& j: P# C# x: A0 ^7 R 目前应用于汽车无人驾驶的雷达主要有三种：
1 i' G0 ]* b6 m1 X, \ 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；
u: Y6 D+ t+ H' c 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 @2 I" V2 C9 {
3. 频率高于20000Hz的超声波雷达；
! M% L* v7 K) L/ m& X% q 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。 ; ]. O C: @6 F- P" x5 W
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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' I2 ?0 X/ v4 Q5 J 2. 最大优势：三维点云建模! @% y9 D( v5 O; ~, A6 {+ V4 k
了解了雷达之后，开始介绍激光雷达。
( N+ n7 ]7 e. A* M" W% J& A# i( R 激光雷达（英文Lidar），英文全称为Laser Detecting and Ranging，即激光探测和测距。 ( B {- J& r+ o! ]$ e9 \
与雷达工作原理类似，激光雷达通过发射和接收激光束。
, D% F9 D0 B9 C 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。
+ f1 U# `, q6 F, z* k. t 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 y" O A* w$ p 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。
) [5 p0 Q& z' ^ 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。 ! p e. a. R2 r9 @+ \
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。
, M1 A2 k# J7 a, M* N2 j+ b2 E) S 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。
' x( [5 w9 E+ c9 t, C' _ 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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$ k! q. f9 s+ b1 E0 u& X 3. 工作原理和组成：四大系统，八个指标( R: @1 M$ i" A
激光雷达 = 激光发射+激光接收+信息处理+扫描系统 ! A' ?3 V1 ~/ `# w% L
下图所示为激光雷达系统组成： , d, D$ e: c" W5 B5 s1 J" A
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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； * |5 g/ G+ W# b1 O6 g* H" I
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；
0 U% U1 r0 {+ X 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。 / N- _' G7 M3 S; }' U4 o1 A
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。 * h) f6 k( w, c( E- X4 B. E
下面放一张动图，更加形象生动：
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/ k3 I# x9 A8 E( | F 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？3 u8 c6 h6 ], i# D* t1 R7 u: ?
下图为Velodyne公司的64线激光雷达HDL_64E。 3 O2 R$ m. E6 V0 E
4 D6 k, ~4 \% U0 z1 h 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）。
. v r1 f5 ? b, X( E 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。 , ~, G& s: E% L% T
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
0 ?2 e9 B8 n+ j8 g0 A; p( z （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）
) h) v7 M# b2 a: X9 L( H7 P 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。 % F0 | L4 i2 a* Z% `4 Y7 }
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