多線激光雷達(dá)工作原理

多線激光雷達(dá)的工作原理主要基于光的反射特性。具體來說，激光雷達(dá)通過發(fā)射激光束并測量反射回來的信號(目標(biāo)回波)來實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的距離、方位、高度、速度等信息的高精度測量。以下是多線激光雷達(dá)工作的幾個關(guān)鍵步驟：

激光發(fā)射：激光雷達(dá)的激光發(fā)射器將電能轉(zhuǎn)換成光能，發(fā)射出激光束。

激光照射：激光束照射到地面或其他表面，遇到障礙物時會發(fā)生反射。

回波檢測：反射回來的激光束被激光雷達(dá)的光學(xué)接收系統(tǒng)捕獲，轉(zhuǎn)化為電信號。

時間測量：記錄激光發(fā)射到接收回波之間的時間間隔，這個時間差可以轉(zhuǎn)換為距離，因?yàn)楣馑偈呛愣ǖ?，所以距離可以通過時間乘以光速的一半來計(jì)算。

數(shù)據(jù)處理與顯示：通過信號處理單元，將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，最終形成可用于導(dǎo)航、定位等的點(diǎn)云圖像。

激光雷達(dá)的系統(tǒng)組成包括激光發(fā)射單元、接收單元、控制單元以及信號處理單元。這些組成部分共同協(xié)作，以實(shí)現(xiàn)對周圍環(huán)境的精確感知和三維重建。

多線激光雷達(dá)的工作原理與雷達(dá)非常相近。由激光器發(fā)射出的脈沖激光由空中入射到地面上，打到樹木上，道路上，橋梁上，房子上，引起散射。一部分光波會經(jīng)過反射返回到到激光雷達(dá)的接收器中。接收器通常是一個光電倍增管或一個光電二極管，它將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，記錄下來。同時由所配備的計(jì)時器記錄下來同一個脈沖光信號由發(fā)射到被接收的時間T。

于是，就能夠得到由飛機(jī)上的的激光雷達(dá)到地面上的目標(biāo)物的距離R為: R = CT/2。這里C代表光速，是一個常數(shù)，即C=300,000公里/秒。

激光雷達(dá)每一個脈沖激光的最大距離分辨率(maximum range resolution)也可由以下公式給出：⊿R = C/2·(tL+tN+tW) 這里，tL代表激光脈沖的長度，tN代表接收器電子器件的時間常數(shù)，tW代表激光與目標(biāo)物體的碰撞時間常數(shù)。

車載激光雷達(dá)系統(tǒng)的優(yōu)劣主要取決于2D激光掃描儀的性能。激光發(fā)射器線束的越多，每秒采集的云點(diǎn)就越多。然而線束越多也就代表著激光雷達(dá)的造價就更加昂貴。

從當(dāng)前車載激光雷達(dá)來看，機(jī)械式的多線束激光雷達(dá)是主流方案，但受制于價格高昂的因素尚未普及開來。不過作為核心傳感器，低成本方案將加速無人駕駛的到來。如國內(nèi)的速騰聚創(chuàng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了16線束激光雷達(dá)的量產(chǎn)，依靠深圳強(qiáng)大的電子電器市場以及人力資源優(yōu)勢，將無人駕駛激光雷達(dá)的價格降下來了。

剛開始是太空掃描、接著是軍事制導(dǎo)、后面是地圖測繪，直到，現(xiàn)在連家里的掃地機(jī)器人和出行開的汽車都離不開它時，我們才發(fā)現(xiàn)，了解一款激光雷達(dá)是如何工作的，成為了我們存在且不被小學(xué)生鄙視為科技文盲的必選項(xiàng)。

大家都知道圖達(dá)通給蔚來ET7提供的那套激光雷達(dá)，它具有120°超平視角、0.06°×0.06°超高分辨率、10%反射率下探測距離(標(biāo)準(zhǔn)探測距離)可達(dá)250米等優(yōu)勢。

使用它，汽車就可以清晰的感知到出周圍環(huán)境的三維輪廓以及相對位置，從而做到避開障礙物，是智能汽汽車通往自動駕駛不可或缺的感知傳感器。

今天我們來高告訴大家，一臺激光雷達(dá)到底是怎么工作的。

首先，激光雷達(dá)并不是獨(dú)立運(yùn)作的，而是由激光發(fā)射器、接收器、和慣性定位導(dǎo)航三個主要模塊組成。

它基本工作原理是發(fā)射出一種激光，在遇到物體后折射回來被CMOS傳感器接收，來測得本體到障礙物的距離

激光雷達(dá)正是利用了光遇到障礙物反射這一原理，而這種測距方式也被稱為TOF飛行時間法。

就像你勻速勻速跑步到小王家再勻速跑回來，知道時間和你的速度，就能確定小王家到這里有多遠(yuǎn)。

那為什么要叫激光雷達(dá)，而不是光光雷達(dá)呢?

激光它是大量原子由于受激輻射所產(chǎn)生的發(fā)光行為。激光在傳播中始終像一條筆直的細(xì)線，發(fā)散的角度極小，一束激光射到38萬千米外的月球上，光圈的直徑充其量只有2千米左右，而普通光源散射到月球?qū)⒄樟猎虑虻娜种弧?

從原理來看，只要需要知道光速、和從發(fā)射到CMOS感知的時間就可以測出障礙物的距離，再結(jié)合實(shí)時GPS、慣性導(dǎo)航信息與計(jì)算激光雷達(dá)發(fā)射出去角度，我們就可以得到一個帶有坐標(biāo)方位和距離的點(diǎn)信息。

試想如果一個激光雷達(dá)能夠在同一個空間內(nèi)，按照設(shè)定好的角度發(fā)射無數(shù)條激光，那么就能得到無數(shù)基于障礙物反射信號。

再給這個信息配上時間范圍、激光的掃描角度、GPS 位置和 INS 信息將點(diǎn)數(shù)據(jù)后處理成高度精確的地理配準(zhǔn) x,y,z 坐標(biāo)，那么這些點(diǎn)就會變?yōu)榫哂芯嚯x信息、空間位置信息的三維立體信號，最后再基于軟件算法組合起來，我么就可以得出線、面、體等各種相關(guān)參數(shù)，建立三維點(diǎn)云圖，繪制出環(huán)境地圖，達(dá)到感知大的目的。

理論上，相同單位內(nèi)點(diǎn)云圖越多，分辨率越高，汽車得到的信息就越多，自動駕駛判斷就越正確。

而評價一個激光雷達(dá)好壞也離不開以下三個參數(shù)：

角分辨率：相同視場角內(nèi)線束越多;角分辨率越小，那么分辨率越高，有效識別距離越遠(yuǎn)。

線束：視場角越小、分辨率越高;

刷新率：一秒鐘對場景的建模次數(shù);

這就是激光雷達(dá)最最最簡單的基礎(chǔ)理論，和判斷一個激光雷達(dá)的最有效方式。

商業(yè)用途：

但從商業(yè)角度來看，就像不存在完美的人一樣，根本也不存在完美的激光雷達(dá)。

量產(chǎn)一款激光雷達(dá)是考慮體積、功耗、成本、可靠性、安全性等，所以基本不可能制造出一個能同時向一個方向發(fā)射出無數(shù)激光的激光雷達(dá)。

為了能夠得到空間信息點(diǎn)，我們發(fā)明了機(jī)械式、MEMS、相控陣式、FISH等激光雷達(dá)，(從網(wǎng)上找響應(yīng)激光雷達(dá)動態(tài)視頻，做到一個界面上去;)

1.首先是機(jī)械雷達(dá)：通過實(shí)驗(yàn)來演示原理，可以實(shí)現(xiàn)周圍360度的環(huán)境掃描和建模)

激光發(fā)射器發(fā)出一束經(jīng)過調(diào)制的激光，經(jīng)過物體反射后再由接收器接受到光信號，如果一個雷達(dá)可以同時發(fā)出多束光，并且讓他旋轉(zhuǎn)起來，就可以實(shí)時探測到周圍的物體，甚至生成點(diǎn)云，實(shí)現(xiàn)為周圍環(huán)境的實(shí)時建模，這種雷達(dá)被稱為多線數(shù)機(jī)械激光雷達(dá)。

多數(shù)自動駕駛車輛都搭載 Velodyne 公司出品的 HDL-64E 激光雷達(dá)，該產(chǎn)品每秒能完成對視場中 220 萬個數(shù)據(jù)點(diǎn)的掃描，同時還能完成對 120 米范圍內(nèi)物體的定位，精度可達(dá)厘米級。

強(qiáng)悍是強(qiáng)悍，但是這樣一個傳感器的重量達(dá)到了 13千克 ，單價更是高達(dá) 8 萬美元，快能買一臺整車呢，根本不可能做到完全普及，或者實(shí)現(xiàn)智能輔助駕駛的夢想。

2.MEMS，微振鏡氏激光雷達(dá);

這是一種基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)，整套系統(tǒng)只需一個很小的反射鏡就能引導(dǎo)固定的激光束射向不同方向。

由于反射鏡很小，因此其慣性力矩并不大，可以快速移動，速度快到可以在不到一秒時間里跟蹤到 掃描模式。

這種激光雷達(dá)的主要優(yōu)點(diǎn)是量產(chǎn)容易，目前采用的都是MEMS微震鏡激光雷達(dá)。除此之外，MEMS 激光雷達(dá)的一大優(yōu)勢是傳感器可以動態(tài)調(diào)整自己的掃描模式，以此來聚焦特殊物體，采集更遠(yuǎn)更小物體的細(xì)節(jié)信息并對其進(jìn)行識別，這是傳統(tǒng)機(jī)械激光雷達(dá)無法實(shí)現(xiàn)的。

圖達(dá)通給蔚來ET7供應(yīng)的就是這種激光雷達(dá)，而其中還有它獨(dú)特的凝視功能，讓自動駕駛汽車對局部障礙物感應(yīng)的更清晰。

寫在最后：

毫無疑問，激光雷達(dá)的應(yīng)用已經(jīng)從外星世界，走入我們身邊，但從商業(yè)來看，目前還沒有完美的激光雷達(dá)。

自動駕駛汽車需要避讓道路上的各類障礙物，但只有在非常確切地判斷出來障礙物時才剎車?yán)@行。

從決策來看，我們判斷一般高度超過20cm的障礙物就需要被繞行。

而當(dāng)障礙物大小從一輛車縮小到20cm高或黑色輪胎(反射率約為3%)時，只有當(dāng)探測距離滿足250米(10%反射率)的情況下，它才能在100米到150米的距離被激光雷達(dá)探測到。

這個距離是自動駕駛汽車以120km/h時速高速駕駛時的實(shí)現(xiàn)可靠感知的安全距離。

這意味目前車載激光雷達(dá)的可靠距離和點(diǎn)云還是不夠的，甚至連車規(guī)級可靠性都是一大考驗(yàn)，這也許馬斯克是因?yàn)檫@樣才不愿意使用激光雷達(dá)，但什么事情不是從無到有的?

就像最早人們不相信超聲波倒車?yán)诇?zhǔn)確性，討厭360度全景影像巨大的畸變一樣，新生事物總是需要成長的，激光雷達(dá)也一樣。

2017年激光雷達(dá)還只是WAMYO上黃金眼，現(xiàn)在很多車型，甚至小鵬P5這種20萬元左右的車型都有了，所以我們需要用發(fā)展的眼光解決發(fā)展中遇到的困難，隨著的產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，激光雷達(dá)最終會像手機(jī)攝像有一樣，像超聲波雷達(dá)一樣走進(jìn)千家萬戶，為每一輛自動駕駛汽車創(chuàng)造價值。