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1. 基本概念
激光(Larser)這個名稱的意思是受激輻射的光放大，是個光放大的過程。激光屬于電磁波的一種，是電磁場的一種運動形態(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，不會擴散。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)出的光波會朝各個方向擴散，普通的光一般來說是幾種顏色的光混合后表現(xiàn)為白色。激光雷達是一種向被測目標發(fā)射探測信號(激光束)，然后測量反射或散射信號的到達時間、強弱程度等參數(shù)，以此確定目標的距離、方位、運動狀態(tài)及表面光學(xué)特性的雷達系統(tǒng)。激光雷達具有角分辨率和距離分辨率高、抗干擾能力強、能獲得目標多種圖像信息等優(yōu)點。
2. 分類
（1）按功能分類
1)激光測距雷達。激光測距雷達是對被測物體發(fā)射激光光束并接收反射波，通過記錄該時間差來確定被測物體與測試點的距離。
2)激光測速雷達。激光測速雷達是對運動物體速度的測量，通過對被測物體發(fā)射兩次激光脈沖信號進行測距，從而得到該被測物體的移動速度。
3)激光成像雷達。激光成像雷達是激光技術(shù)、雷達技術(shù)、光學(xué)掃描與控制技術(shù)、高靈敏度探測技術(shù)以及高速計算機處理技術(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)大氣探測激光雷達。大氣探測激光雷達用于探測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，對大氣環(huán)境進行監(jiān)測，對暴風(fēng)雨、沙塵暴等災(zāi)害性天氣進行預(yù)報，如圖1所示。
5)跟蹤雷達。跟蹤雷達可以連續(xù)跟蹤一個目標，并測量出該目標的坐標，提供目標的運動軌跡。
（2）按工作介質(zhì)分類
1)固體激光雷達。固體激光雷達就是指沒有運動部件的激光雷達，也叫作固態(tài)激光雷達，如圖所示。它具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、壽命高、成本低等優(yōu)點。
固體激光雷達
2)氣體激光雷達。氣體激光雷達以CO2激光雷達為代表。激光脈沖在大氣層中行進，一方面被氣溶膠散熱，另一方面被大氣物質(zhì)吸收，氣體激光雷達所提取的信息正是表現(xiàn)為CO2氣體對激光脈沖能量的吸收。在激光雷達吸收探測系統(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，其吸收信號的強弱反應(yīng)了CO2濃度的大小。
氣體激光雷達工作在紅外波段，大氣傳輸衰減小，探測距離遠，已經(jīng)在大氣風(fēng)場和環(huán)境監(jiān)測方面發(fā)揮了很大作用。
3)半導(dǎo)體激光雷達。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)體激光雷達能以高重復(fù)頻率方式連續(xù)工作，具有壽命長、體積小、成本低和對人眼傷害小的優(yōu)點。
(3)按線數(shù)分類
1)單線激光雷達。激光雷達的基本構(gòu)成是發(fā)射器和接收器。單線激光雷達就是只有一個激光發(fā)射器和一個激光接收器，經(jīng)過電機的旋轉(zhuǎn)投射到前面是一條直線。單線激光雷達的好處是數(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，不能測量物體高度，有一定的局限性。主要應(yīng)用于掃地機器人、酒店服務(wù)機器人等。
2)多線激光雷達。多線激光雷達主要應(yīng)用于雷達成像系統(tǒng)，相比單線激光雷達在維度提升和場景還原上有了質(zhì)的改變，可以識別物體的高度信息。多線激光雷達可以做到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。目前市場上推出的多線激光雷達主要有4線、8線、16線、32線、64線和128線。
（4）按有無旋轉(zhuǎn)部件分類
1)機械式激光雷達。機械式激光雷達指發(fā)射和接收系統(tǒng)通過不斷旋轉(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，形成多個面，進而達到動態(tài)3D掃描并連續(xù)接收信息的目的。機械式激光雷達作為在自動駕駛車輛上先應(yīng)用的激光雷達產(chǎn)品，具有掃描速度快、接收視場大、可承受較高的激光功率等優(yōu)點;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、價格高等缺點。
2)全固態(tài)激光雷達。全固態(tài)激光雷達內(nèi)部沒有運動部件，目前市場上主要的全固態(tài)激光雷達產(chǎn)品有光學(xué)相控陣激光雷達、調(diào)頻連續(xù)波激光雷達、納米天線陣列激光雷達和泛光面陣式激光雷達。全固態(tài)激光雷達耐久性、可靠性佳，符合自動駕駛對雷達固態(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。激光雷達基本結(jié)構(gòu)如圖所示。
激光雷達基本結(jié)構(gòu)
1)激光發(fā)射系統(tǒng)。激光發(fā)射系統(tǒng)的激勵源周期性地驅(qū)動激光器，發(fā)射激光脈沖，利用激光調(diào)制器通過光束控制器控制發(fā)射激光的方向和線數(shù)，最后通過發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)將激光發(fā)射至目標物體。
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)光電探測器接收目標物體反射回來的激光,產(chǎn)生接收信號。
3)信息處理系統(tǒng)。信息處理系統(tǒng)將接收信號經(jīng)過放大處理和數(shù)模轉(zhuǎn)換后，由信息處理模塊計算，獲取目標表面形態(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，實現(xiàn)對所在平面的掃描，并產(chǎn)生實時的平面圖信息。
（2）工作原理
激光雷達的工作原理與超聲波雷達非常相近，它是以激光作為信號源，由激光器發(fā)射出的脈沖激光，打到地面的樹木、道路、橋梁和建筑物上，引起散射，一部分光波會反射到激光雷達的接收器上，根據(jù)激光測距原理計算，就得到從激光雷達到目標點的距離。脈沖激光不斷地掃描目標物，就可以得到目標物上全部目標點的數(shù)據(jù)，用此數(shù)據(jù)進行成像處理后，就可得到精確的三維立體圖像。
在激光雷達前端有一個光學(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)射模塊對應(yīng)的接收模塊。當(dāng)激光雷達開始工作時，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動控制的傳感器，它利用光電、電磁、電感等原理，檢測物體的機械位置及其變化，并將此信息轉(zhuǎn)換為電信號作為運動控制的反饋，傳遞給各種運動控制裝置。光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器屬于編碼器中較為特殊的一種，它通過光電轉(zhuǎn)換，可將輸出軸的角位移、角速度等機械量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖以數(shù)字量輸出，可以精確地測試電機角位移和旋轉(zhuǎn)位置。旋轉(zhuǎn)電機帶動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，然后反射回來的激光束通過光學(xué)接收系統(tǒng)進行處理計算，這樣就可以形成光學(xué)掃描，如圖所示。
激光雷達工作原理
（3）產(chǎn)品參數(shù)
1)發(fā)射功率。發(fā)射功率是激光雷達方案設(shè)計中需要預(yù)先確定的一項重要指標。通過分析激光傳輸時能量轉(zhuǎn)換過程建立激光雷達方程，從系統(tǒng)的探測概率、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。激光雷達的max發(fā)射功率決定了是否需要進行安全防護。
2)視場角。激光雷達視場角分為水平視場角和垂直視場角。水平視場角是在水平方向上可以觀測的角度范圍，旋轉(zhuǎn)式激光雷達旋轉(zhuǎn)一周為360°，所以水平視場角為360°。垂直視場角是在垂直方向上可以觀測的角度，一般為40°。它并不是對稱均勻分布的，因為主要是需要掃描路面上的障礙物，而不是把激光打向天空，為了很好地利用激光，激光光束會盡量向下偏置一定的角度。而且，為了達到既檢測到障礙物，同時又能夠把激光束集中到中間重點關(guān)注的部分，來更好地檢測車輛，激光雷達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。激光波長是指激光器的輸出波長，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。激光的波長單位通常用納米(nm)來度量，而激光又可以分為可見激光和不可見激光兩大類。一般情況下，人眼能夠清晰分辨的可見光波長基本在400~700m之間。激光的波長越短，它的顏色越藍越紫，直到人眼看不見的紫外線。激光的波長越長，它的顏色越偏向紅色，直到人眼看不見的紅外線。激光雷達發(fā)出的激光束屬于不可見光，通常的波長為905m左右。
4)測量距離。在激光雷達的轉(zhuǎn)速及點頻一定的情況下，測距越遠，點密度越稀，精度隨之降低；要想保證測試距離遠，點頻設(shè)置也相應(yīng)調(diào)整較低，點密度就越小，精度隨之降低。對于車規(guī)級的激光雷達，其測量距離通常要達到150m以上。
5)測距精度。在測量過程中，任何一種測量方式的精密程度高低都只能是相對的，不可能達到絕對精確，總會存在各種原因?qū)е碌恼`差。為使測量結(jié)果準確可靠，,應(yīng)盡量減少誤差，提高測量精度。目前的車載激光雷達測距精度通?？刂圃诶迕准?。
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