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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。 4 c+ ]0 T: m* w
1. 原理简单，毫米波/激光/超声波8 K7 \- a: D4 V( x1 j* K5 \' Q1 Y
介绍激光雷达之前，先了解雷达。 7 h& z2 G9 N3 L
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。
, ~0 C0 y9 p! e& m 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。
. m7 N% B. t% h8 A- ~0 y; i 按照发射电波的频率或波长，雷达主要有以下应用： - Z& k4 `, B: c
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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。 ) I8 c4 u+ A5 o: _8 A; d
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。 : o$ P3 A% {2 A! y
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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。
0 F* l3 ~6 p" p) e/ C- i+ i2 K 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。 ' O: u E. ^0 G- 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。 * {8 f: ]6 w& R) t2 M/ @
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。 # C4 S' Q' N7 @- H5 w" Z
目前应用于汽车无人驾驶的雷达主要有三种：
# l- ?- @4 x9 G8 s2 B/ z 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； & m0 a7 E* q6 f, P8 a- i6 {
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； 8 j; s' m5 z2 z' H6 E4 x) w/ f
3. 频率高于20000Hz的超声波雷达；
9 u( P4 j4 {" S: X( ~ ~3 Z 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。 3 a" h% u& R1 \) a* W$ ^4 _* ]9 ^
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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5 d. h; p. {5 O3 I5 U& a* g 2. 最大优势：三维点云建模# N! g1 ^0 k4 ^# b* M6 F* A
了解了雷达之后，开始介绍激光雷达。
! \2 B, A( ^2 f 激光雷达（英文Lidar），英文全称为Laser Detecting and Ranging，即激光探测和测距。 , b5 D9 `& D9 c; }( Z, V
与雷达工作原理类似，激光雷达通过发射和接收激光束。
/ o- A$ H# m9 m& ^ 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。
2 g: f# ~& x3 w" k; L 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。 ! M4 h$ m0 `9 R' m. l; s8 \
( S6 O- V. c+ J7 D3 _% E* `% k: 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。 ; O% | t# V/ K2 i# V# k7 G
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。 0 E+ k p2 a m9 t0 D. G" K
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 r& C* V. M1 l C
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。 " D2 Q3 h/ I( k, m* W2 @# P
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。 * p/ A, w$ `; K+ s! w: N
- f8 [( x! j+ N8 K' C# E0 q2 F% H 3. 工作原理和组成：四大系统，八个指标
' Q* h) F# D% ?: O 激光雷达 = 激光发射+激光接收+信息处理+扫描系统
( X: ^" D2 q" @0 c; h 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； & B' t0 c( |; O
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；
$ |2 `, c, l" u 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。 4 U5 x5 Z$ _8 [+ E) V+ R t' G* X
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 R8 R8 l3 R' Z. Y; T 下面放一张动图，更加形象生动： * f: h% A" @) Z* C7 s- h2 C1 g) R+ c
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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。
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激光雷达实物具体什么样？6 ^+ j7 \0 F- _9 c5 v6 q# z
下图为Velodyne公司的64线激光雷达HDL_64E。 + N: R% ]8 i& W( Q: n/ S6 [9 _
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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）。 3 l9 j% M) a9 m6 _( B
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。
) p `: s$ v% k0 _. g# 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
' X! \: {( _) `# x- p7 e （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）
& U$ Q6 N" `; k* ^ 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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