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; c8 `. ?0 F0 Q' `8 v2 e, w 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。 + t, O3 _( v8 E6 [6 X' I O
1. 原理简单，毫米波/激光/超声波5 K a) W% n- z1 @5 K$ o" }
介绍激光雷达之前，先了解雷达。
" s% P. x) t0 |, c% h 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。
& u( _ Z7 W6 K" 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。 + ?1 E# e7 E, q7 O6 X
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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$ v9 v- `# k8 S& J8 k! R# \- X 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。 : r/ ~3 T0 a2 D; W! 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。
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( V Y' F9 v8 x i- S. d3 B 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。 4 A" [9 r! W) e1 W
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 o. E/ o* \+ w! m( Y/ j 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。 4 Q c, x9 b5 Y
下图为电磁波图谱： + u6 p/ G1 H T3 d0 m8 f1 D
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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。
4 W, g6 [8 t) \* } 目前应用于汽车无人驾驶的雷达主要有三种： " d4 }& P" }9 h% O a1 J/ T' l; P: {
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； * f1 g1 F1 I8 I, I4 {
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；
2 _0 J& P: u6 t( i/ Y 3. 频率高于20000Hz的超声波雷达； " Y2 ^4 J* H& e& ^
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。 # G! B; x# v6 y: E0 T
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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2. 最大优势：三维点云建模& h+ e& _$ M0 W/ u; M! r
了解了雷达之后，开始介绍激光雷达。 ' E8 Q; u- H" K' ]# i
激光雷达（英文Lidar），英文全称为Laser Detecting and Ranging，即激光探测和测距。 * y; \; ]# \# @( i. a: J' i
与雷达工作原理类似，激光雷达通过发射和接收激光束。
# L' C! y/ Z& M( 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。 . k' E- ?& H' x5 ^" h0 _0 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。
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. h9 e1 b2 F7 I 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。 ; y3 B r: C' U+ }
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。
/ k( S5 Z& r& `9 k. a 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。 $ Q c* U5 P- }: a3 T6 |3 y5 R' A
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。
3 Q% u* t7 q( ]9 I9 o 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。 3 J3 H0 X- \% W7 L7 U# W
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3. 工作原理和组成：四大系统，八个指标. ~: e- u$ T: p! }9 {3 r! O: T4 v
激光雷达 = 激光发射+激光接收+信息处理+扫描系统
4 [, x. y! e' s( x) B 下图所示为激光雷达系统组成： , b9 b- `( s% z) o1 C; O6 o0 ^
& ]9 r/ w8 z! \! ~+ O 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 b8 K9 ^7 W+ h 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； % G. i$ e) ^5 `) r
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。
9 d- P- a( a1 r. |' F 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。 + T/ i: A& |- ^/ _
下面放一张动图，更加形象生动： : p" x; u) }4 ^ P7 v# V
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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。 , x; a- u* c" ]
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激光雷达实物具体什么样？( J. R- P& u" F
下图为Velodyne公司的64线激光雷达HDL_64E。
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) x6 c. W' y: y; C( @# W! f 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）。 8 B7 Q! d- G8 I# b$ s6 U
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。 1 i( V$ Y& `1 E( \) F- ^ C3 n
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
% g% i( \! b" Q2 n （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） ; c) W3 ?3 s) M) P
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