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(lái)說(shuō)，激光雷達(dá)通過(guò)發(fā)射激光束并測(cè)量反射回來(lái)的信號(hào)(目標(biāo)回波)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的距離、方位、高度、速度等信息的高精度測(cè)量。以下是多線激光雷達(dá)工作的幾個(gè)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(shí)會(huì)發(fā)生反射。

回波檢測(cè)：反射回來(lái)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(hào)。

時(shí)間測(cè)量：記錄激光發(fā)射到接收回波之間的時(shí)間間隔，這個(gè)時(shí)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(guò)時(shí)間乘以光速的一半來(lái)計(jì)算。

數(shù)據(jù)處理與顯示：通過(guò)信號(hào)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(hào)處理單元。這些組成部分共同協(xié)作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(huì)經(jīng)過(guò)反射返回到到激光雷達(dá)的接收器中。接收器通常是一個(gè)光電倍增管或一個(gè)光電二極管，它將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，記錄下來(lái)。同時(shí)由所配備的計(jì)時(shí)器記錄下來(lái)同一個(gè)脈沖光信號(hào)由發(fā)射到被接收的時(shí)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(gè)常數(shù)，即C=300,000公里/秒。

激光雷達(dá)每一個(gè)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(zhǎng)度，tN代表接收器電子器件的時(shí)間常數(shù)，tW代表激光與目標(biāo)物體的碰撞時(shí)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(jià)就更加昂貴。

從當(dāng)前車載激光雷達(dá)來(lái)看，機(jī)械式的多線束激光雷達(dá)是主流方案，但受制于價(jià)格高昂的因素尚未普及開來(lái)。不過(guò)作為核心傳感器，低成本方案將加速無(wú)人駕駛的到來(lái)。如國(guó)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(chǎng)以及人力資源優(yōu)勢(shì)，將無(wú)人駕駛激光雷達(dá)的價(jià)格降下來(lái)了。

剛開始是太空掃描、接著是軍事制導(dǎo)、后面是地圖測(cè)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(shí)，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(lái)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(cè)距離(標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)距離)可達(dá)250米等優(yōu)勢(shì)。

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(duì)位置，從而做到避開障礙物，是智能汽汽車通往自動(dòng)駕駛不可或缺的感知傳感器。

今天我們來(lái)高告訴大家，一臺(tái)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(gè)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(lái)被CMOS傳感器接收，來(lái)測(cè)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(cè)距方式也被稱為TOF飛行時(shí)間法。

就像你勻速勻速跑步到小王家再勻速跑回來(lái)，知道時(shí)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(wàn)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(lái)看，只要需要知道光速、和從發(fā)射到CMOS感知的時(shí)間就可以測(cè)出障礙物的距離，再結(jié)合實(shí)時(shí)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(gè)帶有坐標(biāo)方位和距離的點(diǎn)信息。

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

再給這個(gè)信息配上時(shí)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(huì)變?yōu)榫哂芯嚯x信息、空間位置信息的三維立體信號(hào)，最后再基于軟件算法組合起來(lái)，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(dòng)駕駛判斷就越正確。

而評(píng)價(jià)一個(gè)激光雷達(dá)好壞也離不開以下三個(gè)參數(shù)：

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

線束：視場(chǎng)角越小、分辨率越高;

刷新率：一秒鐘對(duì)場(chǎng)景的建模次數(shù);

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

商業(yè)用途：

但從商業(yè)角度來(lái)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(gè)能同時(shí)向一個(gè)方向發(fā)射出無(wú)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(dòng)態(tài)視頻，做到一個(gè)界面上去;)

1.首先是機(jī)械雷達(dá)：通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)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(guò)調(diào)制的激光，經(jīng)過(guò)物體反射后再由接收器接受到光信號(hào)，如果一個(gè)雷達(dá)可以同時(shí)發(fā)出多束光，并且讓他旋轉(zhuǎn)起來(lái)，就可以實(shí)時(shí)探測(cè)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(shí)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(dòng)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(duì)視場(chǎng)中 220 萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的掃描，同時(shí)還能完成對(duì) 120 米范圍內(nèi)物體的定位，精度可達(dá)厘米級(jí)。

強(qiáng)悍是強(qiáng)悍，但是這樣一個(gè)傳感器的重量達(dá)到了 13千克 ，單價(jià)更是高達(dá) 8 萬(wàn)美元，快能買一臺(tái)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(mèng)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(gè)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(dòng)，速度快到可以在不到一秒時(shí)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(shì)是傳感器可以動(dòng)態(tài)調(diào)整自己的掃描模式，以此來(lái)聚焦特殊物體，采集更遠(yuǎn)更小物體的細(xì)節(jié)信息并對(duì)其進(jìn)行識(shí)別，這是傳統(tǒng)機(jī)械激光雷達(dá)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

圖達(dá)通給蔚來(lái)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(dòng)駕駛汽車對(duì)局部障礙物感應(yīng)的更清晰。

寫在最后：

毫無(wú)疑問(wèn)，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(lái)看，目前還沒有完美的激光雷達(dá)。

自動(dòng)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(lái)障礙物時(shí)才剎車?yán)@行。

從決策來(lái)看，我們判斷一般高度超過(guò)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(shí)，只有當(dāng)探測(cè)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(cè)到。

這個(gè)距離是自動(dòng)駕駛汽車以120km/h時(shí)速高速駕駛時(shí)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(jí)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(wú)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(zhǎng)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(wàn)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(huì)像手機(jī)攝像有一樣，像超聲波雷達(dá)一樣走進(jìn)千家萬(wàn)戶，為每一輛自動(dòng)駕駛汽車創(chuàng)造價(jià)值。