激光雷达的工作原理和分类

激光雷达的工作原理和分类

激光雷达作为一种先进的探测技术，在自动驾驶、智能交通、测绘等多个领域发挥着重要作用。本文将为您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，帮助您全面了解这一前沿技术。

激光雷达的工作原理

激光雷达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。这个系统也可以通过扫描发射和接收装置来获取目标物体的三维形状，在不同角度发射和接收激光脉冲，可以构建出物体的完整三维轮廓。

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：

按照波长分类

• 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。

按照测量方式分类

• 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。

按照扫描方式分类

• 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。

• 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。
• 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。
• 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。
• 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。
• 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。
• 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：

• 测距精度：表示为距离的误差
• 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。
• 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。
• 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。
• 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。
• 数据输出方式：输出数据的格式和接口类型

本文内容来源于硬十AI。