激光(Larser)這個名稱的意思是受激輻射的光放大，是個光放大的過程。激光屬于電磁波的一種，是電磁場的一種運動形態。激光發出具有高方向性的光束，組成的光波在一條直線上傳播，不會擴散。激光束內的光波都是相同顏色的，此性質叫單色性。普通光源發出的光波會朝各個方向擴散，普通的光一般來說是幾種顏色的光混合后表現為白色。激光雷達是一種向被測目標發射探測信號(激光束)，然后測量反射或散射信號的到達時間、強弱程度等參數，以此確定目標的距離、方位、運動狀態及表面光學特性的雷達系統。激光雷達具有角分辨率和距離分辨率高、抗干擾能力強、能獲得目標多種圖像信息等優點。
1) 激光測距雷達。激光測距雷達是對被測物體發射激光光束并接收反射波，通過記錄該時間差來確定被測物體與測試點的距離。
2) 激光測速雷達。激光測速雷達是對運動物體速度的測量，通過對被測物體發射兩次激光脈沖信號進行測距，從而得到該被測物體的移動速度。
3) 激光成像雷達。激光成像雷達是激光技術、雷達技術、光學掃描與控制技術、高靈敏度探測技術以及高速計算機處理技術的綜合產物，具有較高的角度分辨率和距離分辨率可以形成高分辨率的三維圖像。
4) 大氣探測激光雷達。大氣探測激光雷達用于探測大氣中分子與煙霧的密度、溫度風速、風向及水蒸氣濃度，對大氣環境進行監測，對暴風雨、沙塵暴等災害性天氣進行預報，如圖1所示。
5) 跟蹤雷達。跟蹤雷達可以連續跟蹤一個目標，并測量出該目標的坐標，提供目標的運動軌跡。
1) 固體激光雷達。固體激光雷達就是指沒有運動部件的激光雷達，也叫作固態激光雷達，如圖2所示。它具有結構簡單、尺寸小、壽命高、成本低等優點。
2) 氣體激光雷達。氣體激光雷達以CO2激光雷達為代表。激光脈沖在大氣層中行進，一方面被氣溶膠散熱，另一方面被大氣物質吸收，氣體激光雷達所提取的信息正是表現為CO2氣體對激光脈沖能量的吸收。在激光雷達吸收探測系統中，既利用了氣溶膠散熱形成的回波，又利用了氣體吸收而獲得CO2的信息，其吸收信號的強弱反應了CO2濃度的大小。
氣體激光雷達工作在紅外波段，大氣傳輸衰減小，探測距離遠，已經在大氣風場和環境監測方面發揮了很大作用。3) 半導體激光雷達。半導體激光器又稱激光二極管，是用半導體材料作為工作物質的激光器。常用工作物質有砷化鎵、硫化鎘、磷化銦等。半導體激光雷達能以高重復頻率方式連續工作，具有壽命長、體積小、成本低和對人眼傷害小的優點。1) 單線激光雷達。激光雷達的基本構成是發射器和接收器。單線激光雷達就是只有一個激光發射器和一個激光接收器，經過電機的旋轉投射到前面是一條直線，如圖3所示。單線激光雷達的好處是數據量少、效率高、穩定性好、技術成熟，但是只能平面式描，不能測量物體高度，有一定的局限性。主要應用于掃地機器人、酒店服務機器人等。2) 多線激光雷達。多線激光雷達主要應用于雷達成像系統，相比單線激光雷達在維度提升和場景還原上有了質的改變，可以識別物體的高度信息。多線激光雷達可以做到3D成像，能夠實現行車環境的髙精度建模，如圖4所示。目前市場上推出的多線激光雷達主要有4線、8線、16線、32線、64線和128線。1) 機械式激光雷達。機械式激光雷達指發射和接收系統通過不斷旋轉發射頭，將發出的激光從線變成面，并在豎直方向上排布多束激光，形成多個面，進而達到動態3D掃描并連續接收信息的目的。機械式激光雷達作為在自動駕駛車輛上最先應用的激光雷達產品，具有掃描速度快、接收視場大、可承受較高的激光功率等優點;但也具有結構笨重、重量和體積較大、裝調工作復雜、價格高等缺點。2) 全固態激光雷達。全固態激光雷達內部沒有運動部件，目前市場上主要的全固態激光雷達產品有光學相控陣激光雷達、調頻連續波激光雷達、納米天線陣列激光雷達和泛光面陣式激光雷達。全固態激光雷達耐久性、可靠性最佳，符合自動駕駛對雷達固態化小型化和低成本化的需求激光雷達主要由激光發射系統、激光接收系統、掃描系統和信息處理系統四部分組成。激光雷達基本結構如圖5所示。1) 激光發射系統。激光發射系統的激勵源周期性地驅動激光器，發射激光脈沖，利用激光調制器通過光束控制器控制發射激光的方向和線數，最后通過發射光學系統將激光發射至目標物體。2) 激光接收系統。激光接收系統經接收光學系統光電探測器接收目標物體反射回來的激光,產生接收信號。
3) 信息處理系統。信息處理系統將接收信號經過放大處理和數模轉換后，由信息處理模塊計算，獲取目標表面形態、物理屬性等特征，最終建立物體模型。
4)掃描系統。掃描系統以穩定的轉速旋轉起來，實現對所在平面的掃描，并產生實時的平面圖信息。
激光雷達的工作原理與超聲波雷達非常相近，它是以激光作為信號源，由激光器發射出的脈沖激光，打到地面的樹木、道路、橋梁和建筑物上，引起散射，一部分光波會反射到激光雷達的接收器上，根據激光測距原理計算，就得到從激光雷達到目標點的距離。脈沖激光不斷地掃描目標物，就可以得到目標物上全部目標點的數據，用此數據進行成像處理后，就可得到精確的三維立體圖像。在激光雷達前端有一個光學發射和光學接收系統，在發射系統后端有N組發射模塊，在接收系統后端也有N組與發射模塊對應的接收模塊。當激光雷達開始工作時，N組發射模塊和N組接收模塊在系統電路的精確控制下，按照一定的時間順序輪流工作，發射和接收激光束。編碼器是一種用于運動控制的傳感器，它利用光電、電磁、電感等原理，檢測物體的機械位置及其變化，并將此信息轉換為電信號作為運動控制的反饋，傳遞給各種運動控制裝置。光學旋轉編碼器屬于編碼器中較為特殊的一種，它通過光電轉換，可將輸出軸的角位移、角速度等機械量轉換成相應的電脈沖以數字量輸出，可以精確地測試電機角位移和旋轉位置。旋轉電機帶動掃描鏡按照一定的順序和速度旋轉，將激光器發出的激光束發射出去，然后反射回來的激光束通過光學接收系統進行處理計算，這樣就可以形成光學掃描，如6所示。1) 發射功率。發射功率是激光雷達方案設計中需要預先確定的一項重要指標。通過分析激光傳輸時能量轉換過程建立激光雷達方程，從系統的探測概率、虛警概率和系統信噪比的關系確定發射功率，通過仿真技術得出在滿足系統器件參數和應用背景下所需的發射功率。激光雷達的最大發射功率決定了是否需要進行安全防護。2) 視場角。激光雷達視場角分為水平視場角和垂直視場角。水平視場角是在水平方向上可以觀測的角度范圍，旋轉式激光雷達旋轉一周為360°，所以水平視場角為360°。垂直視場角是在垂直方向上可以觀測的角度，一般為40°。它并不是對稱均勻分布的，因為主要是需要掃描路面上的障礙物，而不是把激光打向天空，為了很好地利用激光，激光光束會盡量向下偏置一定的角度。而且，為了達到既檢測到障礙物，同時又能夠把激光束集中到中間重點關注的部分，來更好地檢測車輛，激光雷達的光束不是垂直均勻分布的，而是中間密，兩邊疏。以64線激光雷達的光束為例，如圖7所示，可以看到激光雷達光束有一定的偏置，向上的角度為15°，向下為25°，且激光光束中間密集，兩邊稀疏。3) 光源波長。激光波長是指激光器的輸出波長，是激光器輸出激光光束的重要參數，相應的輸出頻率叫激光頻率。激光的波長單位通常用納米(nm)來度量，而激光又可以分為可見激光和不可見激光兩大類。一般情況下，人眼能夠清晰分辨的可見光波長基本在400~700m之間。激光的波長越短，它的顏色越藍越紫，直到人眼看不見的紫外線。激光的波長越長，它的顏色越偏向紅色，直到人眼看不見的紅外線。激光雷達發出的激光束屬于不可見光，通常的波長為905m左右。4) 測量距離。在激光雷達的轉速及點頻一定的情況下，測距越遠，點密度越稀，精度隨之降低；要想保證測試距離遠，點頻設置也相應調整較低，點密度就越小，精度隨之降低。對于車規級的激光雷達，其測量距離通常要達到150m以上。
5) 測距精度。在測量過程中，任何一種測量方式的精密程度高低都只能是相對的，不可能達到絕對精確，總會存在各種原因導致的誤差。為使測量結果準確可靠，,應盡量減少誤差，提高測量精度。目前的車載激光雷達測距精度通常控制在厘米級。
激光雷達LIDAR是L3級以上自動駕駛的核心感知傳感器，具備點云成像、精度高、探測距離遠且能適應近乎全部的駕駛場景，受到汽車行業及資本市場的熱捧。艾邦現組建汽車雷達交流群，整合雷達廠、芯片、材料、設備等產業鏈上下游企業，以推動激光雷達行業發展。
原文始發于微信公眾號（智能汽車俱樂部）：激光雷達結構原理與應用
