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( z2 y% @1 v$ z* p+ j3 a 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。 ; ~; c- w. w: R! u! e5 I
1. 原理简单，毫米波/激光/超声波3 p8 |3 E4 |, }8 L" [, Z
介绍激光雷达之前，先了解雷达。 3 |/ w$ V3 R1 m8 [( @% V4 R
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。 $ i* _* i/ F9 f1 k/ X7 D9 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。 9 n; ^# l7 |. G7 T& O
按照发射电波的频率或波长，雷达主要有以下应用： 9 b6 ], w: _9 H
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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。 4 X/ A% e) A$ s5 p' E3 s0 W$ k; J+ |
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 x' |1 ~& L8 [1 D3 `7 }9 Q, Z
2 O, ~5 F( K% r" d 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。 1 ^0 u+ ~, w* B2 W' C. G& ]
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。
: c& l; ` J! J+ o" m) 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。 * g. G" d2 E) a' ^8 V- o7 h+ z
下图为电磁波图谱： 1 L1 H& E- H# a( U' ?5 \7 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。 # {& S8 C: C9 x" V8 J ]
目前应用于汽车无人驾驶的雷达主要有三种：
5 M1 M* A! N' o0 [! k 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； + S f; a0 p( N9 r' C+ Y |% a; d
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；
% S( d, w x: k6 T. H5 N 3. 频率高于20000Hz的超声波雷达； 0 T+ a2 U, p( c: H7 i! y; x- 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。 . ?( |7 r, l T6 q2 \' S" R* a
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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. ^( Y( X* Q; S! v+ U 2. 最大优势：三维点云建模
; c! X" C9 y0 G 了解了雷达之后，开始介绍激光雷达。 $ q1 N5 M' k6 a: E; b
激光雷达（英文Lidar），英文全称为Laser Detecting and Ranging，即激光探测和测距。
8 o4 I" s+ E7 [/ o$ ^/ \$ n 与雷达工作原理类似，激光雷达通过发射和接收激光束。 ( m2 [& ~4 \8 w% r
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 c& p1 {2 [- J. Q* m( e& z
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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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。 " A" V7 {# H7 B' ~3 H X$ l# |
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 S: }. ?7 p r+ \! i 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 M1 B% o \( b3 ^. A4 k6 w 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。 1 o) s E; I% }1 e- m) s7 P" o" j- 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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3. 工作原理和组成：四大系统，八个指标" t+ M: U, ^; j
激光雷达 = 激光发射+激光接收+信息处理+扫描系统
1 B& I( {- C6 X: c9 A 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； 0 ? _* Y* _3 `" z# 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；
. ?& }3 r6 n+ A0 H$ L 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。
6 k8 R$ P; ^' D' J+ R: \; w4 O 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。 + Z; N8 M8 J7 r9 i: W9 X7 z' s
下面放一张动图，更加形象生动：
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8 m2 g; u0 M" i; H6 ^ 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。 5 m, F( K: O4 @8 Z- A# J P
* I9 r: H' R4 D 激光雷达实物具体什么样？
. N1 f) ]( M8 D/ k 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）。 3 s: t& ^; S. J9 Q- 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。
& a; I2 ~0 p3 _1 s 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
& |, d P/ } G) G9 ]: ^ （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）
. O. B3 N& u; U7 \$ ` 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。 & C; c3 K, B# l1 n5 X
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