多线激光雷达工作原理

多线激光雷达的工作原理主要基于光的反射特性。具体来说，激光雷达通过发射激光束并测量反射回来的信号(目标回波)来实现对目标的距离、方位、高度、速度等信息的高精度测量。以下是多线激光雷达工作的几个关键步骤：

激光发射：激光雷达的激光发射器将电能转换成光能，发射出激光束。

激光照射：激光束照射到地面或其他表面，遇到障碍物时会发生反射。

回波检测：反射回来的激光束被激光雷达的光学接收系统捕获，转化为电信号。

时间测量：记录激光发射到接收回波之间的时间间隔，这个时间差可以转换为距离，因为光速是恒定的，所以距离可以通过时间乘以光速的一半来计算。

数据处理与显示：通过信号处理单元，将收集到的数据进行处理和分析，最终形成可用于导航、定位等的点云图像。

激光雷达的系统组成包括激光发射单元、接收单元、控制单元以及信号处理单元。这些组成部分共同协作，以实现对周围环境的精确感知和三维重建。

多线激光雷达的工作原理与雷达非常相近。由激光器发射出的脉冲激光由空中入射到地面上，打到树木上，道路上，桥梁上，房子上，引起散射。一部分光波会经过反射返回到到激光雷达的接收器中。接收器通常是一个光电倍增管或一个光电二极管，它将光信号转变为电信号，记录下来。同时由所配备的计时器记录下来同一个脉冲光信号由发射到被接收的时间T。

于是，就能够得到由飞机上的的激光雷达到地面上的目标物的距离R为: R = CT/2。这里C代表光速，是一个常数，即C=300,000公里/秒。

激光雷达每一个脉冲激光的最大距离分辨率(maximum range resolution)也可由以下公式给出：⊿R = C/2·(tL+tN+tW) 这里，tL代表激光脉冲的长度，tN代表接收器电子器件的时间常数，tW代表激光与目标物体的碰撞时间常数。

车载激光雷达系统的优劣主要取决于2D激光扫描仪的性能。激光发射器线束的越多，每秒采集的云点就越多。然而线束越多也就代表着激光雷达的造价就更加昂贵。

从当前车载激光雷达来看，机械式的多线束激光雷达是主流方案，但受制于价格高昂的因素尚未普及开来。不过作为核心传感器，低成本方案将加速无人驾驶的到来。如国内的速腾聚创已经实现了16线束激光雷达的量产，依靠深圳强大的电子电器市场以及人力资源优势，将无人驾驶激光雷达的价格降下来了。

刚开始是太空扫描、接着是军事制导、后面是地图测绘，直到，现在连家里的扫地机器人和出行开的汽车都离不开它时，我们才发现，了解一款激光雷达是如何工作的，成为了我们存在且不被小学生鄙视为科技文盲的必选项。

大家都知道图达通给蔚来ET7提供的那套激光雷达，它具有120°超平视角、0.06°×0.06°超高分辨率、10%反射率下探测距离(标准探测距离)可达250米等优势。

使用它，汽车就可以清晰的感知到出周围环境的三维轮廓以及相对位置，从而做到避开障碍物，是智能汽汽车通往自动驾驶不可或缺的感知传感器。

今天我们来高告诉大家，一台激光雷达到底是怎么工作的。

首先，激光雷达并不是独立运作的，而是由激光发射器、接收器、和惯性定位导航三个主要模块组成。

它基本工作原理是发射出一种激光，在遇到物体后折射回来被CMOS传感器接收，来测得本体到障碍物的距离

激光雷达正是利用了光遇到障碍物反射这一原理，而这种测距方式也被称为TOF飞行时间法。

就像你匀速匀速跑步到小王家再匀速跑回来，知道时间和你的速度，就能确定小王家到这里有多远。

那为什么要叫激光雷达，而不是光光雷达呢?

激光它是大量原子由于受激辐射所产生的发光行为。激光在传播中始终像一条笔直的细线，发散的角度极小，一束激光射到38万千米外的月球上，光圈的直径充其量只有2千米左右，而普通光源散射到月球将照亮月球的三分之一。

从原理来看，只要需要知道光速、和从发射到CMOS感知的时间就可以测出障碍物的距离，再结合实时GPS、惯性导航信息与计算激光雷达发射出去角度，我们就可以得到一个带有坐标方位和距离的点信息。

试想如果一个激光雷达能够在同一个空间内，按照设定好的角度发射无数条激光，那么就能得到无数基于障碍物反射信号。

再给这个信息配上时间范围、激光的扫描角度、GPS 位置和 INS 信息将点数据后处理成高度精确的地理配准 x,y,z 坐标，那么这些点就会变为具有距离信息、空间位置信息的三维立体信号，最后再基于软件算法组合起来，我么就可以得出线、面、体等各种相关参数，建立三维点云图，绘制出环境地图，达到感知大的目的。

理论上，相同单位内点云图越多，分辨率越高，汽车得到的信息就越多，自动驾驶判断就越正确。

而评价一个激光雷达好坏也离不开以下三个参数：

角分辨率：相同视场角内线束越多;角分辨率越小，那么分辨率越高，有效识别距离越远。

线束：视场角越小、分辨率越高;

刷新率：一秒钟对场景的建模次数;

这就是激光雷达最最最简单的基础理论，和判断一个激光雷达的最有效方式。

商业用途：

但从商业角度来看，就像不存在完美的人一样，根本也不存在完美的激光雷达。

量产一款激光雷达是考虑体积、功耗、成本、可靠性、安全性等，所以基本不可能制造出一个能同时向一个方向发射出无数激光的激光雷达。

为了能够得到空间信息点，我们发明了机械式、MEMS、相控阵式、FISH等激光雷达，(从网上找响应激光雷达动态视频，做到一个界面上去;)

1.首先是机械雷达：通过实验来演示原理，可以实现周围360度的环境扫描和建模)

激光发射器发出一束经过调制的激光，经过物体反射后再由接收器接受到光信号，如果一个雷达可以同时发出多束光，并且让他旋转起来，就可以实时探测到周围的物体，甚至生成点云，实现为周围环境的实时建模，这种雷达被称为多线数机械激光雷达。

多数自动驾驶车辆都搭载 Velodyne 公司出品的 HDL-64E 激光雷达，该产品每秒能完成对视场中 220 万个数据点的扫描，同时还能完成对 120 米范围内物体的定位，精度可达厘米级。

强悍是强悍，但是这样一个传感器的重量达到了 13千克 ，单价更是高达 8 万美元，快能买一台整车呢，根本不可能做到完全普及，或者实现智能辅助驾驶的梦想。

2.MEMS，微振镜氏激光雷达;

这是一种基于微机电系统(MEMS)，整套系统只需一个很小的反射镜就能引导固定的激光束射向不同方向。

由于反射镜很小，因此其惯性力矩并不大，可以快速移动，速度快到可以在不到一秒时间里跟踪到 扫描模式。

这种激光雷达的主要优点是量产容易，目前采用的都是MEMS微震镜激光雷达。除此之外，MEMS 激光雷达的一大优势是传感器可以动态调整自己的扫描模式，以此来聚焦特殊物体，采集更远更小物体的细节信息并对其进行识别，这是传统机械激光雷达无法实现的。

图达通给蔚来ET7供应的就是这种激光雷达，而其中还有它独特的凝视功能，让自动驾驶汽车对局部障碍物感应的更清晰。

写在最后：

毫无疑问，激光雷达的应用已经从外星世界，走入我们身边，但从商业来看，目前还没有完美的激光雷达。

自动驾驶汽车需要避让道路上的各类障碍物，但只有在非常确切地判断出来障碍物时才刹车绕行。

从决策来看，我们判断一般高度超过20cm的障碍物就需要被绕行。

而当障碍物大小从一辆车缩小到20cm高或黑色轮胎(反射率约为3%)时，只有当探测距离满足250米(10%反射率)的情况下，它才能在100米到150米的距离被激光雷达探测到。

这个距离是自动驾驶汽车以120km/h时速高速驾驶时的实现可靠感知的安全距离。

这意味目前车载激光雷达的可靠距离和点云还是不够的，甚至连车规级可靠性都是一大考验，这也许马斯克是因为这样才不愿意使用激光雷达，但什么事情不是从无到有的?

就像最早人们不相信超声波倒车雷准确性，讨厌360度全景影像巨大的畸变一样，新生事物总是需要成长的，激光雷达也一样。

2017年激光雷达还只是WAMYO上黄金眼，现在很多车型，甚至小鹏P5这种20万元左右的车型都有了，所以我们需要用发展的眼光解决发展中遇到的困难，随着的产业的发展，激光雷达最终会像手机摄像有一样，像超声波雷达一样走进千家万户，为每一辆自动驾驶汽车创造价值。