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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。 # E1 x: A1 S' E* {
1. 原理简单，毫米波/激光/超声波) h7 C, W( t+ R/ J' U, _. Q
介绍激光雷达之前，先了解雷达。 , c1 F* \0 m" P! X$ Y: K
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。 9 [% _4 P+ L: F# K
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。 / K' k8 N" {. {) e" _' ]6 G
按照发射电波的频率或波长，雷达主要有以下应用： / }+ @9 l+ \ Y
, |: J$ q1 o6 r4 Q6 N 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。 : J* p3 t* t; L2 G* o0 C3 d6 R( T
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。 3 _: {: A# Y+ ? w% B6 a
, m, g! W- G5 m" {! B! I+ R 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。 k; J/ P7 D: 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。
7 o9 u7 o0 t( \3 F 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。
; h: _* e$ o/ N% z; [8 L1 C9 O8 b 下图为电磁波图谱： # E1 z# B3 j. V% j1 o, _8 H
: X2 C0 h* W4 Q& f" e7 d6 c( Y 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% e' n5 P! [ t 目前应用于汽车无人驾驶的雷达主要有三种：
- W+ T( k! `( u. Y* M 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；
" x( ]9 m h& A1 ~, @8 R5 r 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； 4 E: w# ^ J+ g
3. 频率高于20000Hz的超声波雷达； 2 f( m9 r G- J1 U# R
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 v" F7 c+ i7 H% _, V 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。 : e* z) ~: S' k2 O: A
t) y; R; \ j' t: d8 \) \ 2. 最大优势：三维点云建模% S( a0 K e) c4 I7 J) _% D2 r9 z
了解了雷达之后，开始介绍激光雷达。 1 I' X0 T* |( G: p
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 ]% n7 Z" k- U; T, X
与雷达工作原理类似，激光雷达通过发射和接收激光束。 n. U# O- y C0 @0 l( D
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。 ~( `" Y7 @, l# S
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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; l( ^: |2 M/ 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。
{6 g$ Z: C3 d0 b4 ]$ N; `/ M 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。
9 F# v' L4 s8 J" [4 _$ a: 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。 , j/ U, G# k4 P; V* L' Z
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。 0 B6 U" M: S2 v1 n
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。 # x2 [. D: V& C, }
6 \6 Y5 v: z+ t% Q, i6 p 3. 工作原理和组成：四大系统，八个指标
# Y5 ^( o! ~! R+ N- H 激光雷达 = 激光发射+激光接收+信息处理+扫描系统
8 ~( f) C% }1 \. @: B8 Z4 J- ` K 下图所示为激光雷达系统组成：
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, v* K- ~" H& S6 e 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；
8 M1 I1 j$ |9 I3 Q8 d5 _# f 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； + q. y- P& o# s
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。
% U5 ^6 Q" w+ ~7 H 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。
; \7 C$ G# E3 n: `7 K/ A9 n3 g2 H 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。 3 K n. O9 b8 d6 M' V8 |8 d
9 C1 E9 s% U) J: j! o8 Z 激光雷达实物具体什么样？
+ h5 g4 ~, M4 L; Z0 M" R 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）。
u9 _# a T+ |4 y9 S' c# 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。 5 K% s) |3 }/ ]# O
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! C/ X# ]# T4 `8 h; ~
（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）
) J' w+ U5 p( j8 j- e( [ v9 T 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。 4 o1 ?; \4 q% ?) |# C ?/ Z
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