相對于傳統(tǒng)測距傳感器，激光雷達(dá)在測量精度、測量距離、角分辨率、抗干擾能力等方面具有巨大的綜合優(yōu)勢。

01

背景概述

雷達(dá)（英文Radar的音譯，源于radio detection and ranging的縮寫），意思為"無線電探測和測距"，發(fā)射電磁波對目標(biāo)進(jìn)行照射并接收其回波，由此獲得目標(biāo)的距離、速度、方位、高度等信息。

傳統(tǒng)雷達(dá)以微波作為載波的雷達(dá)，大約出現(xiàn)在1935年

雷達(dá)按頻段可分為：超視距雷達(dá)、微波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)以及激光雷達(dá)等

激光雷達(dá)即激光探測及測距系統(tǒng)LiDAR(Light Detection and Ranging)，是一種通過發(fā)射激光束探測目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)。

用激光器作為發(fā)射光源，采用光電探測技術(shù)手段的主動遙感設(shè)備。激光雷達(dá)是激光技術(shù)與現(xiàn)代光電探測技術(shù)結(jié)合的先進(jìn)探測方式。由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng) 、信息處理等部分組成。

激光波的優(yōu)異性能：

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（深度、反射率等）

體積小，質(zhì)量輕

探測反射率信息，這一點(diǎn)在做無人駕駛中的車道線信息識別非常重要

激光以波長短、準(zhǔn)直性高的性能優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用在測繪、氣象監(jiān)測、安防、無人駕駛等領(lǐng)域。

激光雷達(dá)自1960年作為一種全新的測量工具發(fā)展至今，到三維掃描和無人駕駛上的應(yīng)用，蘊(yùn)含著巨大的商業(yè)價值。

02

工作原理

激光雷達(dá)與微波雷達(dá)的異同：

激光雷達(dá)工作原理：

向被測目標(biāo)發(fā)射探測信號（激光束），然后測量反射或發(fā)射信號的到達(dá)時間、強(qiáng)弱程度等參數(shù)，以確定目標(biāo)的距離、方位、運(yùn)動狀態(tài)及表面光學(xué)特性。

用飛行時間法（Time of flight method）測算出L：

從公式可以看出精度取決于時間，所以對接收裝置的要求很高。如果做到1cm的精度，可以推出對時間的測量精度達(dá)到0.067ns。

激光雷達(dá)系統(tǒng)組成：

發(fā)射單元，激光器、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)。發(fā)射激光束探測信號

接收單元，接收光學(xué)系統(tǒng)、光學(xué)慮光裝置、光電探測器。接收反射的激光信號，即回波信號

控制單元，控制器、邏輯電路。控制激光激發(fā)、信號接收及系統(tǒng)工作模式

信號處理單元，信號處理、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)與輸出。光電轉(zhuǎn)換，信號分析，數(shù)據(jù)獲取

激光雷達(dá)八大核心技術(shù)指標(biāo)：

這些核心指標(biāo)參數(shù)，其實(shí)就可以判斷一個傳感器是否滿足你的使用需求

最大輻射功率

第一重要的參數(shù)，首先看是否得到安全認(rèn)證，是否需要做防護(hù)

水平視場

機(jī)械式雷達(dá)360度旋轉(zhuǎn)，水平全視角

垂直視場

一般16線俯仰角30度，從-15度到15度，應(yīng)用最多、最廣泛

光源波長

光學(xué)參數(shù)，納米參數(shù)

最遠(yuǎn)測量距離

是否滿足長距離探測

測量時間/幀頻率

雷達(dá)返回一圈的時間

縱向分辨率和水平分辨率

對算法影響大，精度越高價值越貴，滿足應(yīng)用的情況下，選性價比高的

測距精度

厘米級已經(jīng)滿足無人駕駛的應(yīng)用場景

激光雷達(dá)分類：

03

關(guān)鍵技術(shù)

激光雷達(dá)融合激光、大氣光學(xué)、雷達(dá)、光機(jī)電一體化和信號處理等諸多領(lǐng)域技術(shù)，下面逐一介紹各關(guān)鍵技術(shù)

1.激光器技術(shù)

激光器是激光雷達(dá)的核心

激光器種類很多，性能各異，需要綜合考慮各種因素后加以選擇

考慮因素包括：波長、大氣傳輸特性、功率、光束截面、發(fā)散角、信號形式、平臺限制（體積、重量和功耗）、對人眼安全程度、可靠性、成本和技術(shù)成熟程度等

2.探測器及探測技術(shù)

探測器：能把光輻射轉(zhuǎn)換成一種便于測量（電壓或電流）的物理量器件。有如下關(guān)鍵參數(shù)

積分靈敏度：也稱為響應(yīng)度，表示光電流與入射光功率的關(guān)系

光譜靈敏度：表征探測器的光譜選擇特性

頻率靈敏度：也稱響應(yīng)頻率或響應(yīng)時間

適合于激光雷達(dá)的光電探測器主要有PIN光電二極管、硅雪崩二極管（Si-APD）等

PIN光電二極管：頻帶寬（可達(dá)10GHz）、靈敏度高、線性輸出范圍寬、噪聲低

硅雪崩二極管（Si-APD）：超低噪聲、高速（0.1nm）、高互阻抗增益，0.6-0.9μm

探測技術(shù)

直接探測（能量探測）

利用探測器的光電轉(zhuǎn)換功能直接實(shí)現(xiàn)對光信號的信息解調(diào)

優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)簡單

缺點(diǎn)：精度低、對噪聲敏感

相干探測（外差探測）

和直接探測相比，多了一路本振激光輸出，平衡探測器起到光混頻器的作用，它響應(yīng)于信號光和本振光的差頻分量，輸出一個中頻光電流

優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，精度高

缺點(diǎn)：系統(tǒng)復(fù)雜

3.光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)

激光二極管示意圖

各種激光器發(fā)射的激光束并不是絕對平行的，通常有幾個毫弧度（mrad）發(fā)散角，到達(dá)遠(yuǎn)處時光斑直徑很大。

通過理想的透鏡系統(tǒng)，可以改變發(fā)射光束的發(fā)散度、波束寬度和截面積，總功率保持不變。

發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)，也稱為發(fā)射光學(xué)天線，一般由準(zhǔn)直鏡、擴(kuò)束鏡（望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)）和輔助光學(xué)系統(tǒng)組成。

準(zhǔn)直鏡解決激光器準(zhǔn)直輸出問題

擴(kuò)束鏡解決進(jìn)一步壓縮激光發(fā)散角問題

輔助光學(xué)系統(tǒng)解決激光束偏振太控制、光隔離等問題

需要根據(jù)激光器類型（如激光二極管、固體激光器、光纖激光器或氣體激光器）及其輸出參數(shù)二具體設(shè)計(jì)。

接收光學(xué)系統(tǒng)

也稱為接收光學(xué)天線。

為了盡可能地將目標(biāo)發(fā)射回來的激光能量會聚到探測器上，而且適當(dāng)限制接收接收視場，減小雜散光的干涉，提高接收機(jī)的靈敏度和信噪比。

對于遠(yuǎn)距離探測，常采用望遠(yuǎn)鏡加物鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或遠(yuǎn)心成像光學(xué)系統(tǒng)。

4.激光傳輸技術(shù)

大氣消光特性

地球大氣由空氣分子以及固體和液體懸浮顆粒（也稱為氣溶膠）組成。

激光在傳輸過程中存在分子、氣溶膠的吸收和散射衰減效應(yīng)。

分子吸收具有非常強(qiáng)的光譜選擇特性，其中水蒸氣、二氧化碳和臭氧是主要吸收分子

對于激光雷達(dá)來講，常用的位于大氣窗口的波長有~1.5μm，~1μm，0.85μm，和0.78μm波段

分子散射也稱為瑞利散射，它與大氣濃度和入射光波長相關(guān)

在近地大氣層常見以下幾種大氣光學(xué)狀態(tài)：煙霧雨雪等，需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式推算激光衰減規(guī)律。

目標(biāo)特性

向后角反射器

也稱為立方角錐棱鏡，實(shí)際上它是由3個鍍有反射膜且互相垂直的反射面構(gòu)成的四面體，相當(dāng)于是從一個立方體切下來的一個角

出射光與入射光平行，但方向相反，屬于合作目標(biāo)，廣泛應(yīng)用于月球和衛(wèi)星的激光定位、宇宙飛船的對接系統(tǒng)及大地測量

朗伯目標(biāo)

是指散射光強(qiáng)遵循朗伯余弦定律的表面，確切地說，從材料表面任何給定方向上反射的光強(qiáng)（單位立體角通量）正比于該方向與表面法線之間夾角的余弦

根據(jù)激光雷達(dá)截面積大小，分為點(diǎn)目標(biāo)、大目標(biāo)、擴(kuò)展目標(biāo)

氣溶膠和空間散射物

光學(xué)散射效應(yīng)：拉曼散射、米散射、瑞利散射

雷達(dá)截面積與激光束穿透溶膠的傳輸損耗密切相關(guān)

5.成像掃描技術(shù)

機(jī)械旋轉(zhuǎn)

在定位方向（水平方向）采用機(jī)械360°旋轉(zhuǎn)掃描技術(shù)。

在俯仰方向（垂直于水平面方向）均采用了定向分布式掃描技術(shù)。

多線性，探測器與激光器一一對應(yīng)

不同激光器發(fā)射光束經(jīng)光學(xué)透鏡后成一定夾角出射

優(yōu)點(diǎn)：單點(diǎn)測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、可承受高激光功率

缺點(diǎn)：垂直掃描角度固定、裝調(diào)工作量大

MEMS型

利用MEMS微振鏡（MEMS指的是微機(jī)電系統(tǒng)），把所有的機(jī)械部件集成到單個芯片，利用半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)

優(yōu)點(diǎn)：集成度高、體積小、損耗低

芯片級工藝，適合量產(chǎn)

缺點(diǎn)：高精度高頻振動控制難度大、制造精度要求高

無法實(shí)現(xiàn)360°掃描，需組合使用

光學(xué)相控陣（全固態(tài)）

其原理與相控陣?yán)走_(dá)一樣，通過調(diào)節(jié)發(fā)射陣列中每個發(fā)射單元的相位差來改變激光的初設(shè)角度

優(yōu)點(diǎn)

掃描速度快：一般可以達(dá)到MHz量級以上

掃描精度高：可以做到μrad(千分之一度）量級以上

可控性好：可以在感興趣的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行高密度的掃描，這對于自動駕駛環(huán)境感知非常有用

缺點(diǎn)

易形成旁瓣，影響光束作用距離和角分辨率，干涉效果易形成旁瓣，使得激光能量被分散

加工難度高：光學(xué)相控陣要求陣列單元尺寸必須不大于辦個波長

Flash型

傳統(tǒng)激光雷達(dá)是逐點(diǎn)掃描式，單次發(fā)射只探測某個方位

falsh型激光雷達(dá)單次探測可覆蓋視角內(nèi)所有方位，一次性實(shí)現(xiàn)全局成像，故也稱為閃爍式激光雷達(dá)

使用探測器陣列探測返回信號

優(yōu)點(diǎn)

無掃描器件，成像速度快

集成度高，體積小

芯片級工藝，適合量產(chǎn)

缺點(diǎn)

激光功率受限，探測距離近

抗干擾能力差

角分辨率低

無法實(shí)現(xiàn)360°成像

6.信號處理技術(shù)

接收信號噪聲種類

目標(biāo)信號：由于目標(biāo)反射在像平面上行成的信號（weak single）。

大氣后向散射信號：激光冒充在照射一定厚度傳播介質(zhì)時所有其的向后散射干擾信號。

背景干擾信號：由于背景反射在像平面上所形成的信號。

太陽輻射：太陽輻射照射 在目標(biāo)或傳播介質(zhì)后所反射的信號。

7.數(shù)據(jù)校準(zhǔn)技術(shù)

輸出點(diǎn)云中每個點(diǎn)包含4個物理量：X、Y、Z、Intensity

XYZ:方位信息，Intensity：反映物體反射特性，藍(lán)→紅表示物體反射率→高

同一種材料的物體呈現(xiàn)接近的顏色，豐富Intensity信息有助于判斷周圍環(huán)境，比如車道線

難題：相同表面特性的物體假設(shè)為漫反射其反光功率也隨著距離的平方而線性衰減，如何保證同一類物體點(diǎn)云中呈現(xiàn)的Intensity保持一致？

Intensity校準(zhǔn)技術(shù)

探測距離增加導(dǎo)致的誤差具體來源于兩個方面

返回至激光雷達(dá)的反射光功率隨著距離的平方而線性衰減

返回至激光雷達(dá)的反射光經(jīng)接收透鏡成像在單點(diǎn)探測器的位置和距離有關(guān)

(像點(diǎn)與探測器錯位會引起響應(yīng)度下降)

校準(zhǔn)方案需要圍繞上述兩個誤差源進(jìn)行

04

應(yīng)用領(lǐng)域

應(yīng)用領(lǐng)域

激光雷達(dá)因?yàn)槠湫阅軆?yōu)勢，在無人駕駛、地圖測繪、無人機(jī)、機(jī)器人、安防、氣象監(jiān)測領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用

市場趨勢

無人駕駛

激光雷達(dá)是無人駕駛汽車的關(guān)鍵核心部件之一，有效提供車輛決策與控制系統(tǒng)所需的高精度地圖和定位避障功能，具有不可替代的作用

激光雷達(dá)的應(yīng)用環(huán)節(jié)（點(diǎn)云處理之前）

驅(qū)動

外參指標(biāo)

時間同步

多雷達(dá)融合

與其它傳感器的融合（相機(jī)、IMU、Radar等）

總結(jié)

相對于傳統(tǒng)測距傳感器，激光雷達(dá)在測量精度、測量距離、角分辨率、抗干擾能力等方面具有巨大的綜合優(yōu)勢。

激光雷達(dá)技術(shù)難點(diǎn)集中在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、成像掃描、控制系統(tǒng)、多線單元裝調(diào)、信號/數(shù)據(jù)校準(zhǔn)等環(huán)節(jié)。

作為無人駕駛系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，激光雷達(dá)發(fā)展方向?qū)⑹羌?xì)分化，適用不同場景做到最高性價比，固態(tài)和機(jī)械式都將依靠各自的優(yōu)勢占據(jù)自己的市場。