激光雷达入门笔记

激光雷达 LiDAR（Light Detection and Ranging），是一种通过发射激光束并接收目标反射回波，来测量目标距离、位置或表面特性的光学传感器技术。

原理

TOF

测距原理大多是飞行时间 TOF（Time of Flight）。它利用发射器发射的脉冲信号和接收器接收到的反射脉冲信号之间的时间间隔，来计算目标物体距离。

\textstyle d = \frac{c \Delta t}{2}

其中，\textstyle c 是光速，\textstyle \Delta t 是激光往返飞行时间。由于激光从雷达到目标再返回，路程是单程距离的两倍，因此需要除以 2。

FMCW

相干探测方法一般指调频连续波方法（Frequency-Modulated Continuous-Wave，FMCW）。它通过测量发射电磁波与返回电磁波之间的频率变化，解调出被测目标的距离和速度。

分类

机械式

以 Velodyne 的 HDL-64E 为例，它把 4x16 个激光发射器垂直堆叠，整个单元持续旋转。发射器（Emitters）和接收器（Receivers）的旋转是物理意义上的旋转。水平方向通过旋转让激光点扫成线，垂直方向排列多个激光发射器组成面，由此得到 3D 信息。

由于存在高频机械运动，机械式 LiDAR 在寿命、可靠性、成本和结构复杂度上都有压力。

半固态 MEMS

MEMS 全称为 Micro Electro-Mechanical System，即微机电系统。它将机械结构通过微电子技术集成到硅基芯片上，芯片上集成体积十分精巧的微振镜。通过控制微小镜面的平动和扭转往复运动，将激光反射到不同角度完成扫描。激光发生器本身固定不动，不过并没有完全取消机械结构。

半固态二维转镜

转镜 LiDAR 的扫描镜围绕圆心旋转，MEMS 则是围绕某条直径上下振动。相比之下，转镜式激光雷达功耗低，散热难度低，因而也有较高可靠性。

半固态一维转镜

与二维扫描结构相比，一维扫描采用仅在水平方向上低速转动的反射镜来改变光线方向，获得视场角覆盖，稳定性和可靠性更高。

固态 OPA

OPA 是 Optical Phased Array，即光学相控阵。

激光雷达发射的是光，光具有波粒二象性。波与波之间会产生干涉现象。OPA 通过调节阵列中各个发射单元出射光的相位差，让不同位置的波源产生干涉，从而控制光束指向特定方向，实现扫描效果。

固态 FLASH

泛光面阵式 Flash 激光雷达是典型的纯固态激光雷达方案之一。它不像 MEMS 或 OPA 那样通过扫描逐点获取信息，而是在短时间内直接发射一大片覆盖探测区域的激光，再通过高灵敏度接收器完成对周围环境的感知。

总结

类型	Pros	Cons
机械式	扫描快精度高技术成熟 360度扫描	可靠性低寿命短成本高体积大难满足车规
半固态MEMS	机械部件减少体积小成本低准车规	探测角度受限寿命短不抗震
半固态转镜式	精度较高成本较低量产车规	探测角度受限探测距离短线数不足
固态OPA	精度高扫描快抗震体积小成本低	环境光干扰光信号范围有限成本高难量产
固态FLASH	体积小结构简单数据充足技术成熟	功率密度低分辨率低探测距离短

LIDAR 参数

线数

线数通常表示激光雷达在垂直方向上的扫描通道数量。线数越高，垂直方向采样越密集，但成本、数据量和处理压力通常也会增加。

波长

常见波长有 905 nm 和 1550 nm 两种。1550 nm 方案通常成本更高，但由于人眼安全约束不同，往往可以在满足安全标准的前提下使用更高发射功率，因此远距离探测能力更强。1550 nm 光主要被角膜和晶状体吸收，视网膜风险相对低，但并不意味着绝对不会伤眼，仍然必须满足 Class 1 等激光安全规范。

激光安全等级

车载激光雷达通常要求满足 Class 1 激光安全等级。

测距能力和盲区

参数列表中经常会写 200m@10% 反射率。它表示 LiDAR 在 200 m 距离上，对 10% 反射率目标的探测能力。

一般视野范围外皆为盲区，距离太近也可能产生盲区。有些 LiDAR 在物体紧贴时仍能检测，有些在零点几米内就无法成像。

FOV

VFOV：垂直视场角，常见值约 25°，形状呈扇形。
HFOV：水平视场角，机械式激光雷达可达 360°；半固态激光雷达常见约 120°，形状呈扇形。
偏置：假设偏置为 5°，LiDAR 在水平方向向上的扫描角度为 15°，向下扫描角度为 25°。一般会向下偏置，因为天空中的物体通常不是主要关注对象。

角分辨率

角分辨率是激光雷达相邻两个探测点之间的角度间隔，分为水平角度分辨率与垂直角度分辨率。

角分辨率决定了一次扫描能返回的样本点数，以及该激光雷达所能检测的最小障碍物大小。比如两个相邻激光光束测距点的角度为 0.4°，那么在 200 m 探测距离处，两束光之间的间隔约为：

\textstyle 200 \times \tan 0.4^\circ \approx 1.4\text{ m}

也就是说，在 200 m 之后，低于约 1.4 m 的障碍物可能难以被稳定采样。

帧率

帧率表示一秒内雷达完成多少次扫描，单位为 Hz。扫描频率越高，实时性越高，但数据量和处理压力也会随之增加。

出点数

出点数即周期采集点数。这个参数也被称为水平分辨率。比如某个 FOV 为 360° 的激光雷达，其水平角分辨率为 0.2°，那么扫描点数为：

\textstyle 360^\circ / 0.2^\circ = 1800

旋转一周将会产生 1800 个水平采样点。

全部点数约为：

\textstyle \text{线数} \times 1800 \times Hz

LIDAR 数据

Point Clouds

点云（Point Clouds）是 LiDAR 输出的主要数据形式。每个点通常包含空间坐标，例如 \textstyle x,y,z，也可以包含反射强度、时间戳、ring id 等附加信息。

反射强度

反射强度是反映某个 LiDAR 脉冲回波强弱的一种测量指标，通常针对每个点采集。

\textstyle P_R = \frac{P_E D_R^2 \rho \cos\alpha}{4R^2}\eta_{sys}\eta_{atm}

其中：

\textstyle P_E：发射功率。
\textstyle D_R^2：接收机孔径相关项。
\textstyle \rho：物体表面反射率。
\textstyle \cos\alpha：入射角影响项。
\textstyle R：距离。
\textstyle \eta_{sys}：系统传输效率。
\textstyle \eta_{atm}：大气传输率。

激光点的反射强度通常和距离平方成反比，并随物体表面反射率、入射角、系统效率和大气传输条件变化。入射角是入射光线与物体表面法线的夹角，入射角变大时，\textstyle \cos\alpha 变小，回波通常会减弱。

时间戳

LiDAR 从硬件层面支持授时。硬件 trigger 可以触发 LiDAR 数据采集，并为这一 frame 打上时间戳。一般 LiDAR 支持三种时间同步接口：

IEEE 1588-2008 同步：通过以太网对测量以及系统控制实现精确时钟同步。
PPS 脉冲同步：通过同步信号线实现数据同步。
GPS 同步：通过 PPS + UTC，同步信号线 + UTC（GPS）时间实现同步。

参考文章

[1] 什么是 LiDAR

[2] 激光雷达技术路线介绍

[3] 车载激光雷达基础知识

[4] 激光雷达行业技术资料

原理

TOF