單元2-3激光雷達(dá)技術(shù)認(rèn)知及產(chǎn)品應(yīng)用CATALOGUE目錄2.3.1激光雷達(dá)的組成與原理2.3.2激光雷達(dá)的類型2.3.3激光雷達(dá)的技術(shù)參數(shù)2.3.4激光雷達(dá)的應(yīng)用012.3.1激光雷達(dá)的組成與原理是激光雷達(dá)的核心組成部分之一，負(fù)責(zé)發(fā)射激光信號(hào)，確保信號(hào)能夠準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)物體。發(fā)射系統(tǒng)接收系統(tǒng)用于接收目標(biāo)物體反射或散射的激光信號(hào)，確保信號(hào)能夠準(zhǔn)確被設(shè)備捕獲和處理。接收系統(tǒng)對(duì)接收到的激光信號(hào)進(jìn)行信號(hào)放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換等處理，以提取目標(biāo)信息。信號(hào)處理與控制系統(tǒng)1.激光雷達(dá)的組成010203激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)探測(cè)范圍廣探測(cè)距離可達(dá)300m以上，超出一般傳感器或相機(jī)的探測(cè)范圍。分辨率高距離、速度和角度分辨率高，能夠精確測(cè)量目標(biāo)的位置、速度和方向。信息量豐富可直接獲取探測(cè)目標(biāo)的距離、角度、反射強(qiáng)度、速度等信息，生成目標(biāo)多維度圖像。可全天候工作激光主動(dòng)探測(cè)，不依賴外界光照條件或目標(biāo)輻射特性，僅通過(guò)發(fā)射激光束的回波信號(hào)獲取信息。體積與成本與毫米波雷達(dá)相比，產(chǎn)品體積大，成本高，不利于某些對(duì)體積和成本有嚴(yán)格要求的應(yīng)用場(chǎng)景。交通標(biāo)識(shí)識(shí)別不易識(shí)別交通標(biāo)志和交通信號(hào)燈，可能導(dǎo)致在復(fù)雜道路環(huán)境中對(duì)交通信號(hào)的識(shí)別不準(zhǔn)確。激光雷達(dá)的組成主要由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)及信號(hào)處理與控制系統(tǒng)構(gòu)成，硬件核心為激光器和探測(cè)器，軟件核心則為信號(hào)處理算法。激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)探測(cè)范圍廣，分辨率高，能獲取豐富信息量，且可全天候工作，不受外界光照條件或目標(biāo)輻射特性限制。激光雷達(dá)的缺點(diǎn)與毫米波雷達(dá)相比，體積大、成本高，且不易識(shí)別交通標(biāo)志和信號(hào)燈，因此在實(shí)際應(yīng)用中需要綜合考慮其優(yōu)缺點(diǎn)。激光雷達(dá)的缺點(diǎn)0102030405測(cè)距原理通過(guò)測(cè)算激光發(fā)射與回波信號(hào)的往返時(shí)間，確定目標(biāo)距離；發(fā)射激光束，遇障礙物反射回被接收系統(tǒng)處理，據(jù)飛行時(shí)間計(jì)算距離。測(cè)距方法根據(jù)所發(fā)射激光信號(hào)的不同形式，激光測(cè)距方法有脈沖測(cè)距法、干涉測(cè)距法和相位測(cè)距法等；這些方法各自具有獨(dú)特的應(yīng)用場(chǎng)景。2.激光雷達(dá)的原理（1）脈沖測(cè)距法脈沖測(cè)距法原理用脈沖法測(cè)量距離時(shí)，光脈沖發(fā)出并反射回接收系統(tǒng)，計(jì)數(shù)器記錄時(shí)間；光速已知，計(jì)時(shí)即可得距離。脈沖測(cè)距法應(yīng)用脈沖測(cè)距法關(guān)鍵脈沖式激光測(cè)距所測(cè)得距離比較遠(yuǎn)，發(fā)射功率較高，一般從幾瓦到幾十瓦不等，最大射程可達(dá)幾十千米。脈沖激光測(cè)距的關(guān)鍵之一是對(duì)激光飛行時(shí)間的精確測(cè)量；激光脈沖測(cè)量的精度和分辨率與發(fā)射信號(hào)帶寬相關(guān)。干涉測(cè)距法局限干涉測(cè)距技術(shù)成熟、精度高，但用于測(cè)量距離變化，不直接測(cè)距離，故常用于干涉儀、測(cè)振儀、陀螺儀中。干涉測(cè)距法原理利用光波干涉特性測(cè)量距離，通過(guò)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的條件是兩列有相同頻率、相同振動(dòng)方向的光相互疊加。干涉測(cè)距法應(yīng)用通過(guò)發(fā)射激光，經(jīng)分光鏡分為兩束相干光波反射后匯合，形成干涉條紋，傳感器將條紋轉(zhuǎn)換為電信號(hào)實(shí)現(xiàn)測(cè)距。（2）干涉測(cè)距法相位測(cè)距法相位法激光的測(cè)距原理是利用發(fā)射波和返回波之間所形成的相位差來(lái)測(cè)量距離的。正弦波光束經(jīng)過(guò)調(diào)制的頻率通過(guò)發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)正弦波的光束，接收系統(tǒng)接收經(jīng)過(guò)障礙物之后反射回來(lái)的激光。相位差測(cè)距求出發(fā)射波與返回波之間的相位差，即可通過(guò)相位差計(jì)算出待測(cè)距離，實(shí)現(xiàn)精確測(cè)距。相位測(cè)距法優(yōu)勢(shì)相位測(cè)距法以其高精度、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及晝夜可用等特點(diǎn)，被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ木嚯x測(cè)量技術(shù)。發(fā)展前景相比于其他類型的測(cè)距方法，相位測(cè)距法是朝著小型化、高穩(wěn)定性、方便與其他儀器集成的方向發(fā)展。（3）相位測(cè)距法0102030405022.3.2激光雷達(dá)的類型機(jī)械激光雷達(dá)特點(diǎn)機(jī)械激光雷達(dá)通過(guò)控制激光發(fā)射角度的旋轉(zhuǎn)部件，實(shí)現(xiàn)較大體積和較高測(cè)量精度，適用于汽車(chē)頂部安裝。VelodyneHDL-64E介紹Velodyne的HDL-64E機(jī)械激光雷達(dá)，采用64線束激光規(guī)格，性能出眾，能夠描繪出周?chē)臻g的3D形態(tài)，精度極高。1.機(jī)械激光雷達(dá)2.固態(tài)激光雷達(dá)固態(tài)激光雷達(dá)特點(diǎn)固態(tài)激光雷達(dá)通過(guò)電子部件控制激光發(fā)射角度，無(wú)需機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件，尺寸較小，可安裝于車(chē)體內(nèi)。國(guó)內(nèi)公司固態(tài)雷達(dá)國(guó)內(nèi)公司生成的固態(tài)激光雷達(dá)，最大探測(cè)距離為150m，水平視場(chǎng)角為-60°~60°，垂直視場(chǎng)角為-12.5°~12.5°，可用于障礙物檢測(cè)。固態(tài)雷達(dá)發(fā)展趨勢(shì)為了降低激光雷達(dá)的成本，也為了提高可靠性，滿足車(chē)規(guī)的要求，發(fā)展方向是從機(jī)械激光雷達(dá)轉(zhuǎn)向固態(tài)激光雷達(dá)。3.混合固態(tài)激光雷達(dá)混合固態(tài)激光雷達(dá)通過(guò)內(nèi)部玻璃片旋轉(zhuǎn)改變激光光束方向，實(shí)現(xiàn)多角度檢測(cè)，采用嵌入式安裝，無(wú)大體積旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)?；旌瞎虘B(tài)激光雷達(dá)特點(diǎn)國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的40線混合固態(tài)激光雷達(dá)，結(jié)合機(jī)械與固態(tài)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效多角度檢測(cè)，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)合。2.5D與3D雷達(dá)垂直視野范圍不同，導(dǎo)致兩者對(duì)于激光雷達(dá)在汽車(chē)上的安裝位置要求有所不同?；旌瞎虘B(tài)雷達(dá)應(yīng)用單線束激光雷達(dá)掃描一次只產(chǎn)生一條掃描線，無(wú)法獲取3D信息；多線束可產(chǎn)生多條掃描線，分為2.5D和3D雷達(dá)。單線束與多線束區(qū)別01020403安裝位置要求不同032.3.3激光雷達(dá)的技術(shù)參數(shù)1.最大探測(cè)距離探測(cè)距離多因素激光雷達(dá)的最大探測(cè)距離受限于發(fā)射功率、接收機(jī)靈敏度、目標(biāo)反射率、物體形狀和環(huán)境光干擾等因素。反射率影響距離獵鷹雷達(dá)性能佳目標(biāo)的反射率越高，最大探測(cè)距離越遠(yuǎn)；反射率越低，最大探測(cè)距離越近，通常需標(biāo)注特定反射率下的探測(cè)距離。蔚來(lái)ET7搭載的圖達(dá)通獵鷹激光雷達(dá)，波長(zhǎng)為1550nm，10%反射率下探測(cè)距離為250m，最遠(yuǎn)可達(dá)500m。距離分辨率定義距離分辨率是指激光雷達(dá)可區(qū)分兩個(gè)目標(biāo)物體的最小距離。雷達(dá)分辨率高精準(zhǔn)激光雷達(dá)的距離分辨率高達(dá)0.1m，具備出色的目標(biāo)區(qū)分能力。2.距離分辨率測(cè)距精度與誤差測(cè)距精度是指對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量得到的距離值之間的誤差范圍。目標(biāo)距離與精度目標(biāo)距激光雷達(dá)越遠(yuǎn)，測(cè)距精度越低；精度受多種因素影響，需綜合考慮。3.測(cè)距精度測(cè)量幀頻是指激光雷達(dá)1s掃描的次數(shù)，與攝像頭幀頻概念相同，影響激光雷達(dá)的響應(yīng)速度。測(cè)量幀頻的概念激光雷達(dá)成像刷新幀頻越高，響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性更高，能夠更快速地獲取目標(biāo)信息。高幀頻的優(yōu)勢(shì)4.測(cè)量幀頻采樣率對(duì)成像的影響數(shù)據(jù)采樣率會(huì)影響成像的分辨率，特別是在遠(yuǎn)距離，點(diǎn)云越密集，目標(biāo)呈現(xiàn)就越精細(xì)。激光雷達(dá)的出數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)激光雷達(dá)的出數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)等于128線×1800個(gè)點(diǎn)×10Hz=2304000點(diǎn)/秒，即每秒輸出2304000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。激光雷達(dá)的出點(diǎn)數(shù)128線機(jī)械式激光雷達(dá)的水平視場(chǎng)角為360o，幀率為10Hz，水平角分辨率為0.2o，旋轉(zhuǎn)一周會(huì)產(chǎn)生360/0.2=1800個(gè)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采樣率的概念數(shù)據(jù)采樣率是指每秒輸出的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，等于幀率乘以單幅圖像的點(diǎn)云數(shù)目。5.數(shù)據(jù)采樣率6.視場(chǎng)角垂直視場(chǎng)角垂直視場(chǎng)角是激光雷達(dá)垂直方向的檢測(cè)角度，一般在40o以內(nèi)，光束非均勻分布，中間密兩邊稀疏，向下偏置一定角度，彌補(bǔ)近處盲區(qū)。水平視場(chǎng)角水平視場(chǎng)角是水平面上所偵測(cè)的范圍，64線激光雷達(dá)范圍有限，增加線束成本大增，機(jī)械式配合旋轉(zhuǎn)可達(dá)360o，固態(tài)僅前方60o~120o。水平視場(chǎng)角水平視場(chǎng)角是水平面上所偵測(cè)的范圍，以64線激光雷達(dá)為例，單純的64線激光雷達(dá)的范圍是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，增加線束的范圍又會(huì)大大增加成本。垂直視場(chǎng)角垂直視場(chǎng)角是指激光雷達(dá)垂直方向的檢測(cè)角度，一般在40o以內(nèi)，光束也不是垂直均勻分布的，而是中間密兩邊稀疏；會(huì)盡量向下偏置一定的角度。7.角度分辨率環(huán)境適應(yīng)性和安全性激光雷達(dá)所采用的激光波長(zhǎng)會(huì)影響雷達(dá)的環(huán)境適應(yīng)性和對(duì)人眼的安全性，目前雷達(dá)廠商主要使用波長(zhǎng)為905nm和1550nm的激光發(fā)射器。905nm激光的優(yōu)缺點(diǎn)更高的功率，意味著更遠(yuǎn)的探測(cè)距離；更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，意味著更容易穿透粉塵霧霾；但受制于成本原因，生產(chǎn)波長(zhǎng)為1550nm的雷達(dá)要求使用昂貴的砷化鎵材料。雷達(dá)波長(zhǎng)的選擇廠商更多選擇使用硅材料制造接近于可見(jiàn)光波長(zhǎng)的905nm的雷達(dá)，并嚴(yán)格限制發(fā)射器的功率，避免造成眼睛的永久性損傷。1550nm激光的優(yōu)缺點(diǎn)波長(zhǎng)為1550nm的光線不容易在人眼液體中傳輸，意味著采用波長(zhǎng)為1550nm激光的雷達(dá)功率可以相當(dāng)高，而不會(huì)造成視網(wǎng)膜損傷。8.波長(zhǎng)042.3.4激光雷達(dá)的應(yīng)用主要用于智能網(wǎng)聯(lián)汽