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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 s& Z" R9 l9 T* K 1. 原理简单，毫米波/激光/超声波4 u3 A7 e5 t0 H1 r6 {% u/ k3 h' n
介绍激光雷达之前，先了解雷达。 ( v+ t' I/ n% o5 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。
0 g1 ?0 P* Z& s! F* B 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。 6 P7 [! R; |" h5 w3 r5 p d& h
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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0 q9 a" O) k" ~7 ^3 `0 S/ ] 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。
% Z* L7 _! |2 I" k3 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。
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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。 8 k' ] p, X P x" j& x: b1 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。
$ l# Z% M2 b1 T Y$ q+ {( 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。
8 K' v) H+ ]- S$ Q 下图为电磁波图谱： . i/ u; X! H% K
* K6 ^# |7 { V 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。
: e- ^8 V$ ^. q& Q: e 目前应用于汽车无人驾驶的雷达主要有三种：
. U& D& d" `" H9 i5 @- j 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；
3 e$ T. e' t) _+ L* _0 a6 b. x+ Y- ` 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；
% e) F. Y, Q+ P9 [1 X4 i3 D 3. 频率高于20000Hz的超声波雷达； 5 b h/ m) J4 g! ^: R% s
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。 ) l" K" H3 v# 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。
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$ [& {3 T& z1 |, N 2. 最大优势：三维点云建模- G5 s M3 U7 N4 K, `
了解了雷达之后，开始介绍激光雷达。
& b8 M' G. ^# ?6 G: A 激光雷达（英文Lidar），英文全称为Laser Detecting and Ranging，即激光探测和测距。
, P; S6 b8 @" [% b. d" K4 R8 U 与雷达工作原理类似，激光雷达通过发射和接收激光束。 ; ~) w- P& J4 O) x8 X1 ~
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。
" { J s9 i+ r7 ^9 p4 H2 _ 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。 9 S8 A0 P) m( G/ @' s
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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。
) v. o* G3 n% W+ }7 S 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。 ; t7 e9 {9 p0 n0 x9 s h- D' v
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。
( S$ q- X5 i; B 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 s6 A. N$ a4 X& L7 K- J7 G% S% S 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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& G" ]. G$ d- a$ p# J- N 3. 工作原理和组成：四大系统，八个指标 O7 r- A) S9 _3 O7 p @7 \- S
激光雷达 = 激光发射+激光接收+信息处理+扫描系统 2 Z9 a1 N( U! i) g! O
下图所示为激光雷达系统组成： 4 q9 k, N& x! g; K
3 l6 A; L5 Q" e; P' ? 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；
: p& m9 N) _& w% \1 F' p 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；
8 x- O4 w+ e3 ~" ]& A3 y$ E# P2 @ 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" Y6 s; a! z
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 n4 ?* R1 Z* V- `+ f+ 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？
4 L: t( b* R9 m7 C9 j1 I& I8 N. V' F' v 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）。
; Q/ t( { j% C' M5 y 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。
' @. r0 J, y# D, ?; n3 u4 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
+ n1 ~# f( n+ g8 _) {: v. G3 } \% k （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）
6 ?2 p3 G$ Y) H( U6 K0 h% r 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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