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# h0 x+ r2 s+ R) f 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。
- j" n1 s% J# ]2 ^+ p) F' R 1. 原理简单，毫米波/激光/超声波' ]8 D" X# q( k: G9 e, d
介绍激光雷达之前，先了解雷达。
1 j! Y7 f) i$ E7 m" G 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。
1 m7 ? u9 w9 r) f* }2 P+ w 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。 & R: d+ a, F* I* C r' C6 A1 u
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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7 B! c2 s) o* h! G& ^" H; V 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。
) M: J! g% I, q2 m* C) g 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。 , ~6 w) h7 D' j, w! o, L
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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。 $ O: c6 T+ _- b; ^. F* 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。 1 x6 T, }% x- {" v5 R, T
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。 ! q9 F/ b( r% D1 Q; b: E
下图为电磁波图谱： & P3 `6 D, o" K' R( L
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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。
) g" P/ I0 z; H" J9 ~2 N 目前应用于汽车无人驾驶的雷达主要有三种： 9 \* X0 y2 M, L
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； . q2 P! I3 y' p0 ?
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 U0 w* S& k6 `' t( y& ~. N8 r 3. 频率高于20000Hz的超声波雷达；
2 R( { S: z4 U, N5 [5 ]4 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。 ; N- j. \$ w- O% _
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。 & v; E( G- y$ U! [6 n7 p2 s) I
i" Y* r' n& R. \ p% d2 Z/ x 2. 最大优势：三维点云建模
: k0 Z9 B3 @) t 了解了雷达之后，开始介绍激光雷达。
& B& k5 i7 \/ q" B6 B6 @ 激光雷达（英文Lidar），英文全称为Laser Detecting and Ranging，即激光探测和测距。
5 T; f6 H4 l7 Y4 s; m% O 与雷达工作原理类似，激光雷达通过发射和接收激光束。 ! ?3 m9 n, N/ k8 S' }( l
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。 : f& j9 ~* t$ x0 T( M: q
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。 n8 | v4 Y; \2 w, s9 b$ ^* f
O' H; H* W- L l) a( r! Q 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。
6 l# [9 W( c+ i4 ^6 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。 ( v' `! D; _5 k, k' r+ _5 E
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。 & ?/ g! d* F4 }. e$ J
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。 ' m+ s/ A1 N1 G, [5 a7 W
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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7 Y, b4 ]! \/ |$ V6 F' E' i 3. 工作原理和组成：四大系统，八个指标' w& L; t' {* _. C* L$ x) O
激光雷达 = 激光发射+激光接收+信息处理+扫描系统 8 X+ `6 C. C4 X, l
下图所示为激光雷达系统组成： , g( G: K- o+ I$ F
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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； : g4 w; b3 w4 X! O, E
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；
3 V; ]$ l% a. W9 I 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。 / ?3 a, Q2 w$ e e
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 D6 ?. F9 K' P' j3 O( D
下面放一张动图，更加形象生动：
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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？1 }4 w* D" H8 t$ T; ~% t
下图为Velodyne公司的64线激光雷达HDL_64E。
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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）。 9 I: O; j8 v& a5 W9 F, o6 @" \7 O
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。 + A. ~: \9 O" j4 D U; w" h
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
7 i; @7 Y1 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） , ^( z- t9 J: x( P
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