1. 基本概念

激光(Larser)這個(gè)名稱的意思是受激輻射的光放大，是個(gè)光放大的過(guò)程。激光屬于電磁波的一種，是電磁場(chǎng)的一種運(yùn)動(dòng)形態(tài)。激光發(fā)出具有高方向性的光束，組成的光波在一條直線上傳播，不會(huì)擴(kuò)散。激光束內(nèi)的光波都是相同顏色的，此性質(zhì)叫單色性。普通光源發(fā)出的光波會(huì)朝各個(gè)方向擴(kuò)散，普通的光一般來(lái)說(shuō)是幾種顏色的光混合后表現(xiàn)為白色。激光雷達(dá)是一種向被測(cè)目標(biāo)發(fā)射探測(cè)信號(hào)(激光束)，然后測(cè)量反射或散射信號(hào)的到達(dá)時(shí)間、強(qiáng)弱程度等參數(shù)，以此確定目標(biāo)的距離、方位、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及表面光學(xué)特性的雷達(dá)系統(tǒng)。激光雷達(dá)具有角分辨率和距離分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、能獲得目標(biāo)多種圖像信息等優(yōu)點(diǎn)。

2. 分類

（1）按功能分類

1) 激光測(cè)距雷達(dá)。激光測(cè)距雷達(dá)是對(duì)被測(cè)物體發(fā)射激光光束并接收反射波，通過(guò)記錄該時(shí)間差來(lái)確定被測(cè)物體與測(cè)試點(diǎn)的距離。

2) 激光測(cè)速雷達(dá)。激光測(cè)速雷達(dá)是對(duì)運(yùn)動(dòng)物體速度的測(cè)量，通過(guò)對(duì)被測(cè)物體發(fā)射兩次激光脈沖信號(hào)進(jìn)行測(cè)距，從而得到該被測(cè)物體的移動(dòng)速度。

3) 激光成像雷達(dá)。激光成像雷達(dá)是激光技術(shù)、雷達(dá)技術(shù)、光學(xué)掃描與控制技術(shù)、高靈敏度探測(cè)技術(shù)以及高速計(jì)算機(jī)處理技術(shù)的綜合產(chǎn)物，具有較高的角度分辨率和距離分辨率可以形成高分辨率的三維圖像。

4) 大氣探測(cè)激光雷達(dá)。大氣探測(cè)激光雷達(dá)用于探測(cè)大氣中分子與煙霧的密度、溫度風(fēng)速、風(fēng)向及水蒸氣濃度，對(duì)大氣環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)暴風(fēng)雨、沙塵暴等災(zāi)害性天氣進(jìn)行預(yù)報(bào)，如圖1所示。

5) 跟蹤雷達(dá)。跟蹤雷達(dá)可以連續(xù)跟蹤一個(gè)目標(biāo)，并測(cè)量出該目標(biāo)的坐標(biāo)，提供目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

（2）按工作介質(zhì)分類

1) 固體激光雷達(dá)。固體激光雷達(dá)就是指沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件的激光雷達(dá)，也叫作固態(tài)激光雷達(dá)，如圖所示。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、壽命高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

固體激光雷達(dá)

2) 氣體激光雷達(dá)。氣體激光雷達(dá)以CO2激光雷達(dá)為代表。激光脈沖在大氣層中行進(jìn)，一方面被氣溶膠散熱，另一方面被大氣物質(zhì)吸收，氣體激光雷達(dá)所提取的信息正是表現(xiàn)為CO2氣體對(duì)激光脈沖能量的吸收。在激光雷達(dá)吸收探測(cè)系統(tǒng)中，既利用了氣溶膠散熱形成的回波，又利用了氣體吸收而獲得CO2的信息，其吸收信號(hào)的強(qiáng)弱反應(yīng)了CO2濃度的大小。

氣體激光雷達(dá)工作在紅外波段，大氣傳輸衰減小，探測(cè)距離遠(yuǎn)，已經(jīng)在大氣風(fēng)場(chǎng)和環(huán)境監(jiān)測(cè)方面發(fā)揮了很大作用。

3) 半導(dǎo)體激光雷達(dá)。半導(dǎo)體激光器又稱激光二極管，是用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器。常用工作物質(zhì)有砷化鎵、硫化鎘、磷化銦等。半導(dǎo)體激光雷達(dá)能以高重復(fù)頻率方式連續(xù)工作，具有壽命長(zhǎng)、體積小、成本低和對(duì)人眼傷害小的優(yōu)點(diǎn)。

(3)按線數(shù)分類

1) 單線激光雷達(dá)。激光雷達(dá)的基本構(gòu)成是發(fā)射器和接收器。單線激光雷達(dá)就是只有一個(gè)激光發(fā)射器和一個(gè)激光接收器，經(jīng)過(guò)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)投射到前面是一條直線。單線激光雷達(dá)的好處是數(shù)據(jù)量少、效率高、穩(wěn)定性好、技術(shù)成熟，但是只能平面式描，不能測(cè)量物體高度，有一定的局限性。主要應(yīng)用于掃地機(jī)器人、酒店服務(wù)機(jī)器人等。

2) 多線激光雷達(dá)。多線激光雷達(dá)主要應(yīng)用于雷達(dá)成像系統(tǒng)，相比單線激光雷達(dá)在維度提升和場(chǎng)景還原上有了質(zhì)的改變，可以識(shí)別物體的高度信息。多線激光雷達(dá)可以做到3D成像，能夠?qū)崿F(xiàn)行車環(huán)境的髙精度建模，如圖4所示。目前市場(chǎng)上推出的多線激光雷達(dá)主要有4線、8線、16線、32線、64線和128線。

（4）按有無(wú)旋轉(zhuǎn)部件分類

1) 機(jī)械式激光雷達(dá)。機(jī)械式激光雷達(dá)指發(fā)射和接收系統(tǒng)通過(guò)不斷旋轉(zhuǎn)發(fā)射頭，將發(fā)出的激光從線變成面，并在豎直方向上排布多束激光，形成多個(gè)面，進(jìn)而達(dá)到動(dòng)態(tài)3D掃描并連續(xù)接收信息的目的。機(jī)械式激光雷達(dá)作為在自動(dòng)駕駛車輛上先應(yīng)用的激光雷達(dá)產(chǎn)品，具有掃描速度快、接收視場(chǎng)大、可承受較高的激光功率等優(yōu)點(diǎn);但也具有結(jié)構(gòu)笨重、重量和體積較大、裝調(diào)工作復(fù)雜、價(jià)格高等缺點(diǎn)。

2) 全固態(tài)激光雷達(dá)。全固態(tài)激光雷達(dá)內(nèi)部沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，目前市場(chǎng)上主要的全固態(tài)激光雷達(dá)產(chǎn)品有光學(xué)相控陣激光雷達(dá)、調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)、納米天線陣列激光雷達(dá)和泛光面陣式激光雷達(dá)。全固態(tài)激光雷達(dá)耐久性、可靠性佳，符合自動(dòng)駕駛對(duì)雷達(dá)固態(tài)化小型化和低成本化的需求。

3. 結(jié)構(gòu)原理

（1）基本結(jié)構(gòu)

激光雷達(dá)主要由激光發(fā)射系統(tǒng)、激光接收系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)四部分組成。激光雷達(dá)基本結(jié)構(gòu)如圖所示。

激光雷達(dá)基本結(jié)構(gòu)

1) 激光發(fā)射系統(tǒng)。激光發(fā)射系統(tǒng)的激勵(lì)源周期性地驅(qū)動(dòng)激光器，發(fā)射激光脈沖，利用激光調(diào)制器通過(guò)光束控制器控制發(fā)射激光的方向和線數(shù)，最后通過(guò)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)將激光發(fā)射至目標(biāo)物體。

2) 激光接收系統(tǒng)。激光接收系統(tǒng)經(jīng)接收光學(xué)系統(tǒng)光電探測(cè)器接收目標(biāo)物體反射回來(lái)的激光,產(chǎn)生接收信號(hào)。

3) 信息處理系統(tǒng)。信息處理系統(tǒng)將接收信號(hào)經(jīng)過(guò)放大處理和數(shù)模轉(zhuǎn)換后，由信息處理模塊計(jì)算，獲取目標(biāo)表面形態(tài)、物理屬性等特征，最終建立物體模型。

4)掃描系統(tǒng)。掃描系統(tǒng)以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)所在平面的掃描，并產(chǎn)生實(shí)時(shí)的平面圖信息。

（2）工作原理

激光雷達(dá)的工作原理與超聲波雷達(dá)非常相近，它是以激光作為信號(hào)源，由激光器發(fā)射出的脈沖激光，打到地面的樹(shù)木、道路、橋梁和建筑物上，引起散射，一部分光波會(huì)反射到激光雷達(dá)的接收器上，根據(jù)激光測(cè)距原理計(jì)算，就得到從激光雷達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的距離。脈沖激光不斷地掃描目標(biāo)物，就可以得到目標(biāo)物上全部目標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，用此數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理后，就可得到精確的三維立體圖像。

在激光雷達(dá)前端有一個(gè)光學(xué)發(fā)射和光學(xué)接收系統(tǒng)，在發(fā)射系統(tǒng)后端有N組發(fā)射模塊，在接收系統(tǒng)后端也有N組與發(fā)射模塊對(duì)應(yīng)的接收模塊。當(dāng)激光雷達(dá)開(kāi)始工作時(shí)，N組發(fā)射模塊和N組接收模塊在系統(tǒng)電路的精確控制下，按照一定的時(shí)間順序輪流工作，發(fā)射和接收激光束。

編碼器是一種用于運(yùn)動(dòng)控制的傳感器，它利用光電、電磁、電感等原理，檢測(cè)物體的機(jī)械位置及其變化，并將此信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)作為運(yùn)動(dòng)控制的反饋，傳遞給各種運(yùn)動(dòng)控制裝置。光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器屬于編碼器中較為特殊的一種，它通過(guò)光電轉(zhuǎn)換，可將輸出軸的角位移、角速度等機(jī)械量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖以數(shù)字量輸出，可以精確地測(cè)試電機(jī)角位移和旋轉(zhuǎn)位置。旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)掃描鏡按照一定的順序和速度旋轉(zhuǎn)，將激光器發(fā)出的激光束發(fā)射出去，然后反射回來(lái)的激光束通過(guò)光學(xué)接收系統(tǒng)進(jìn)行處理計(jì)算，這樣就可以形成光學(xué)掃描，如圖所示。

 激光雷達(dá)工作原理

（3）產(chǎn)品參數(shù)

1) 發(fā)射功率。發(fā)射功率是激光雷達(dá)方案設(shè)計(jì)中需要預(yù)先確定的一項(xiàng)重要指標(biāo)。通過(guò)分析激光傳輸時(shí)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程建立激光雷達(dá)方程，從系統(tǒng)的探測(cè)概率、虛警概率和系統(tǒng)信噪比的關(guān)系確定發(fā)射功率，通過(guò)仿真技術(shù)得出在滿足系統(tǒng)器件參數(shù)和應(yīng)用背景下所需的發(fā)射功率。激光雷達(dá)的max發(fā)射功率決定了是否需要進(jìn)行安全防護(hù)。

2) 視場(chǎng)角。激光雷達(dá)視場(chǎng)角分為水平視場(chǎng)角和垂直視場(chǎng)角。水平視場(chǎng)角是在水平方向上可以觀測(cè)的角度范圍，旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)旋轉(zhuǎn)一周為360°，所以水平視場(chǎng)角為360°。垂直視場(chǎng)角是在垂直方向上可以觀測(cè)的角度，一般為40°。它并不是對(duì)稱均勻分布的，因?yàn)橹饕切枰獟呙杪访嫔系恼系K物，而不是把激光打向天空，為了很好地利用激光，激光光束會(huì)盡量向下偏置一定的角度。而且，為了達(dá)到既檢測(cè)到障礙物，同時(shí)又能夠把激光束集中到中間重點(diǎn)關(guān)注的部分，來(lái)更好地檢測(cè)車輛，激光雷達(dá)的光束不是垂直均勻分布的，而是中間密，兩邊疏。

3) 光源波長(zhǎng)。激光波長(zhǎng)是指激光器的輸出波長(zhǎng)，是激光器輸出激光光束的重要參數(shù)，相應(yīng)的輸出頻率叫激光頻率。激光的波長(zhǎng)單位通常用納米(nm)來(lái)度量，而激光又可以分為可見(jiàn)激光和不可見(jiàn)激光兩大類。一般情況下，人眼能夠清晰分辨的可見(jiàn)光波長(zhǎng)基本在400~700m之間。激光的波長(zhǎng)越短，它的顏色越藍(lán)越紫，直到人眼看不見(jiàn)的紫外線。激光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，它的顏色越偏向紅色，直到人眼看不見(jiàn)的紅外線。激光雷達(dá)發(fā)出的激光束屬于不可見(jiàn)光，通常的波長(zhǎng)為905m左右。

4) 測(cè)量距離。在激光雷達(dá)的轉(zhuǎn)速及點(diǎn)頻一定的情況下，測(cè)距越遠(yuǎn)，點(diǎn)密度越稀，精度隨之降低；要想保證測(cè)試距離遠(yuǎn)，點(diǎn)頻設(shè)置也相應(yīng)調(diào)整較低，點(diǎn)密度就越小，精度隨之降低。對(duì)于車規(guī)級(jí)的激光雷達(dá)，其測(cè)量距離通常要達(dá)到150m以上。

5) 測(cè)距精度。在測(cè)量過(guò)程中，任何一種測(cè)量方式的精密程度高低都只能是相對(duì)的，不可能達(dá)到絕對(duì)精確，總會(huì)存在各種原因?qū)е碌恼`差。為使測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，,應(yīng)盡量減少誤差，提高測(cè)量精度。目前的車載激光雷達(dá)測(cè)距精度通?？刂圃诶迕准?jí)。

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