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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。 1 a( S& T) o- @, z7 N; I
1. 原理简单，毫米波/激光/超声波
T. J% _) |' \. x4 R% { 介绍激光雷达之前，先了解雷达。 7 @4 T0 _* I4 b! |3 t; K7 `2 P
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。 * T/ o& O' K1 v: `0 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。 1 R Z! L3 E% N* q
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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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。 3 \; T, m# @' 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。 ! j# R# G4 h2 k7 T3 t0 _$ 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。
2 k5 W8 f" c8 ` 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。
( _( c6 C0 h2 G( U- p2 }% a 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。 ' r8 a" P% G4 i
下图为电磁波图谱： 4 }- L; z! U) k; m
* T. Q( f- d v; D) x/ r1 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。 , g0 G' q ?# `7 M
目前应用于汽车无人驾驶的雷达主要有三种：
; H Y, Z: a2 u( O 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；
( J" W# u8 d/ h, h/ 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； : c9 U9 l) K2 d7 Z# B5 A' P) B- Q; _
3. 频率高于20000Hz的超声波雷达； " Q2 D/ G6 k ~4 L) V
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。
6 d! s2 u8 p% i1 k6 Z! v, b) W 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; K5 T4 S. Y. u8 |) A! i Y" M* T# C; G
了解了雷达之后，开始介绍激光雷达。
8 x: u2 m, h% u; c 激光雷达（英文Lidar），英文全称为Laser Detecting and Ranging，即激光探测和测距。 / D; W, {6 S T) N4 x7 S+ ~
与雷达工作原理类似，激光雷达通过发射和接收激光束。
& a2 }/ \: I/ Z1 p 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。 9 r- o% Q" U$ 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。 5 p5 I# w9 i7 P
@. ^# s2 e* s$ c m: y9 M 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。 M4 D9 F' |; v
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。 4 H$ H0 R% e) `! a# n. U/ {
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。
; p5 K$ ~7 I+ c+ \' b/ c- A, {6 G 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。
2 o2 Y& J4 F$ J. [) ]! y( 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。
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3. 工作原理和组成：四大系统，八个指标
2 F- M, T G. w9 V0 B/ h$ J' k 激光雷达 = 激光发射+激光接收+信息处理+扫描系统
: Z1 b r) _, e& b* Y! t# X 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；
. G2 I6 r2 }' u# @ 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； 9 J* w! Q9 V3 Q5 h+ g0 U
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。
$ c6 }* @3 o! \! u* ?- ]9 ~$ ^) L 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。
1 ?$ X, C% ?7 M( o- O0 L; W 下面放一张动图，更加形象生动：
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0 j( z+ B9 Q4 L% A: Q 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？
6 E. N4 s2 q/ 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）。 ' p3 E2 d- [5 n$ u$ m7 Z* z! `
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。
+ ^+ d# \! L4 M: e& | 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
/ o# S- b5 a# a4 r7 c* Z/ t. k o （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） 2 V5 F; I8 ?+ X8 R+ @
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