激光雷达的工作原理和分类

激光雷达的工作原理和分类

激光雷达（LiDAR）是一种以发射激光束来探测目标位置、速度等特征量的雷达系统。它通过测量光脉冲从发射到接收的时间来确定距离，广泛应用于自动驾驶、智能交通、测绘与地理信息、工业自动化等多个领域。本文将详细介绍激光雷达的工作原理、分类、应用场景以及关键参数。

激光雷达的工作原理

激光雷达的工作原理基于光的发射、传播和接收，最终通过测量光脉冲从发射到接收的时间来确定距离。具体步骤如下：

1. 发射激光脉冲：激光雷达设备发射一束激光脉冲，这些脉冲通常是红外或近红外光。
2. 光的传播：激光脉冲以光速传播，向目标物体移动。
3. 光的反射：当激光脉冲遇到目标物体时，部分光会被反射回来。
4. 接收反射光：激光雷达设备中的接收器捕捉反射回来的激光。接收器通常与发射器紧密对齐，以确保接收到的光是直接从目标物体反射回来的。
5. 时间测量：设备内部的计时器记录激光脉冲发射和接收的时间间隔。由于光速是已知的，这个时间间隔可以用来计算光脉冲往返目标物体的距离。
6. 计算距离：距离的计算公式是，距离=光速×时间/2，其中时间是光脉冲往返的时间。
7. 数据处理：测量到的距离数据可以用于生成点云，这激光雷达在短时间内可以获取大量的位置点信息（或者称为激光点云），这些点云可以进一步处理，生成三维模型或地形图。

激光雷达的分类

激光雷达有很多种不同的分类方法：

1. 按照波长分类，可分为905nm、1550nm、940nm等，目前主流的激光雷达主要有905nm和1550nm两种波长。

• 905nm：激光雷达接收器可以直接选用价格较低的硅材质，905nm激光雷达成为了当下最主流的激光雷达所选用的波长。不过人眼可识别的可见光波长处在390780nm，而4001400nm波段内激光都可以穿过玻璃体，聚焦在视网膜上，而不会被晶状体和角膜吸收，人眼视网膜温度上升10℃就会造成感光细胞损伤。因此905nm激光雷达为了避免对人眼造成伤害，发射功率需先在在对人无害的范围内。因此，905nm激光的探测距离也会受到限制。
• 1550nm：相比905nm激光，1550nm激光会被人眼晶状体和角膜吸收，不会对视网膜产生伤害，因此1550nm激光雷达可以发射更大功率，探测距离也可以做到更远。但是1550nm激光雷达无法采用常需要用到更加昂贵的铟镓砷（InGaAs）材质，因此在价格上较905nm激光雷达会较高。

2. 按照测量方式分类，可以分为ToF激光雷达和FMCW激光雷达

• ToF（Time of Flight，飞行时间）：ToF激光雷达通过直接测量发射激光与回波的信号的时间差，基于光在空气中的传播速度得到目标物体的距离信息，具有响应速度快，探测精度高的优势。ToF方案技术成熟度高，成本相对低，为目前主要激光雷达使用的方案。
• FMCW（Frequency Modulated Continuous Wave，调频连续波）：FMCW激光雷达将发射激光的光频进行线性调制，通过回波信号与参考光进行相干拍频得到频率差，从而间接获得飞行时间推出目标距离。FMCW具有可直接测量速度信息和抗干扰强的优势。

3. 按照扫描方式分类，可以分为机械式、半固态和全固态雷达，雷达正在经历机械式到半固态，再由半固态到全固态的发展过程。

• 机械式激光雷达：以一定的速度旋转，在水平方向采用机械结构进行 360°的旋转扫描，在垂直方向采用定向分布式扫描，机械式激光雷达的发射器、接收器都跟随扫描部件一同旋转。机械式激光雷达作为最早装车的产品，技术已经比较成熟，因为其是由电机控制旋转，所以可以长时间内保持转速稳定，每次扫描的速度都是线性的。
• 半固态激光雷达：发射器和接收器固定不动，只通过少量运动部件实现激光束的扫描。半固态激光雷达由于既有固定部件又有运动部件，因此也被称为混合固态激光雷达。根据运动部件类型不同，半固态激光雷达又可以细分为转镜类半固态激光雷达、MEMS半固态激光雷达和棱镜类半固态激光雷达。
• 全固态激光雷达：内部完全没有运动部件，使用半导体技术实现光束的发射、扫描和接收。固态激光雷达又可分为Flash固态激光雷达和OPA固态激光雷达。其中OPA（Optical Phase Array的简称，即光学相控阵）固态雷达应用的是相控阵技术，相控阵雷达发射的是电磁波，而OPA激光雷达发射的是光，而光和电磁波一样也表现出波的特性，所以原理上是一样的。波与波之间会产生干涉现象，通过控制相控阵雷达平面阵列各个阵元的电流相位，利用相位差可以让不同的位置的波源会产生干涉（类似的是两圈水波相互叠加后，有的方向会相互抵消，有的会相互增强），从而指向特定的方向，往复控制便得以实现扫描效果。光和电磁波一样也表现出波的特性，因此同样可以利用相位差控制干涉让激光“转向”特定的角度，往复控制实现扫描效果。

激光雷达的应用场景

激光雷达在众多领域都发挥着重要作用，并且随着技术的不断发展，其应用范围还在不断扩大。

1. 自动驾驶：在自动驾驶汽车中，激光雷达能够精确地感知车辆周围的环境，包括车辆、行人、障碍物的位置、速度和形状等，为车辆的路径规划和决策提供关键信息。
2. 智能交通：用于交通流量监测、道路状况评估和智能交通信号控制。它可以实时检测道路上的车辆数量、速度和间距，优化交通流量。
3. 测绘与地理信息：能够快速、高精度地获取地形、地貌和建筑物的三维信息，用于地图绘制、城市规划和土地测量。比如在大规模的地形测绘项目中，激光雷达可以生成详细的数字高程模型。
4. 工业自动化：在工厂自动化中，用于物料搬运、机器人导航和质量检测。例如，在仓储物流中，激光雷达可以帮助自动导引车（AGV）准确地在仓库中行驶和装卸货物。
5. 航空航天：用于飞机的防撞系统、地形跟随和地形规避。同时，在卫星遥感中，激光雷达可以测量大气参数和地表特征。
6. 军事领域：用于目标侦察、武器制导和战场态势感知等。例如，在导弹制导系统中，激光雷达可以提高导弹的命中精度。

激光雷达选型时的关键参数

选择激光雷达时需要注意一些关键规格参数：

1. 测距精度：表示为距离的误差
2. 角分辨率：可以探测到最小角度，与激光束发射和接收统计相关。
3. 扫描频率：每秒扫描次数，也称帧率，影响激光雷达的实时性能。
4. 视场角：雷达可以覆盖的水平和垂直角度范围，决定了激光雷达可以检测到多少个目标。
5. 工作距离：可以探测到的最远距离，实际应用和激光功率、接收机灵敏度等相关。
6. 数据输出方式：输出数据的格式和接口类型