傳感器激光雷達（一）

激光雷達，也稱光學雷達（LIght Detection And Ranging）是激光探測與測距系統的簡稱，它通過測定傳感器發射器與目標物體之間的傳播距離，分析目標物體表面的反射能量大小、反射波譜的幅度、頻率和相位等信息，從而呈現出目標物精確的三維結構信息。

自上世紀60年代激光被發明不久，激光雷達就大規模發展起來。目前激光雷達廠商主要使用波長為905nm和1550nm的激光發射器，波長為1550納米的光線不容易在人眼液體中傳輸，這意味著采用波長為1550納米激光的激光雷達的功率可以相當高，而不會造成視網膜損傷。更高的功率，意味著更遠的探測距離，更長的波長，意味著更容易穿透粉塵霧霾。但受制于成本原因，生產波長為1550納米的激光雷達，要求使用昂貴的砷化鎵材料。廠商更多選擇使用硅材料制造接近于可見光波長的905nm的激光雷達，并嚴格限制發射器的功率，避免造成眼睛的永久性損傷。

而測距原理上目前主要以飛行時間（time of flight）法為主，利用發射器發射的脈沖信號和接收器接受到的反射脈沖信號的時間間隔來計算和目標物體的距離。

也有使用相干法，即為**調頻連續波（FMCW）**激光雷達發射一束連續的光束，頻率隨時間穩定地發生變化。由于源光束的頻率在不斷變化，光束傳輸距離的差異會導致頻率的差異，將回波信號與本振信號混頻并經低通濾波后，得到的差頻信號是光束往返時間的函數。調頻連續波激光雷達不會受到其他激光雷達或太陽光的干擾且無測距盲區；還可以利用多普勒頻移測量物體的速度和距離。調頻延續波LiDAR概念并不新穎，但是面對的技術挑戰不少，例如發射激光的線寬限制、線性調頻脈沖的頻率范圍、線性脈沖頻率變化的線性度，以及單個線性調頻脈沖的可復制性等。

**調幅連續波（AMCW）**激光雷達與基本的飛行時間系統相似的是，調幅連續波激光雷達發射一個信號，測量激光反射回來的時間。但區別在于，時間飛行系統只發射一個脈沖，調幅連續波LiDAR通過改變激光二極管中的極電流來調整發射光強度，從而實現調制。

激光雷達應用于測繪主要有測距、定位以及地表物體的三維繪制；其達作為一種重要的傳感器，目前正在自動駕駛領域和無人飛行器領域得到廣泛應用。

LiDAR的結構

激光雷達主要包括激光發射、接收、掃描器、透鏡天線和信號處理電路組成。激光發射部分主要有兩種，一種是激光二極管，通常有硅和砷化鎵兩種基底材料，再有一種就是目前非常火熱的垂直腔面發射

（VCSEL），VCSEL的優點是價格低廉，體積極小，功耗極低，缺點是有效距離比較短，需要多級放大才能達到車用的有效距離。

激光雷達主要應用了激光測距的原理，而如何制造合適的結構使得傳感器能向多個方向發射激光束，如何測量激光往返的時間，這便區分出了不同的激光雷達的結構。

機械式

以Velodyne 2007年推出了一款激光雷達為例，它把64個激光器垂直堆疊在一起，使整個單元每秒旋轉許多次。發射系統和接收系統存在物理意義上的轉動，也就是通過不斷旋轉發射器，將激光點變成線，并在豎直方向上排布多束激光發射器形成面，達到3D掃描并接收信息的目的。但由于通過復雜的機械結構實現高頻準確的的轉動，平均的失效時間僅1000-3000小時，難以達到車廠最低13000小時的要求。

 固態式(MEMS)

利用微電子機械系統的技術驅動旋鏡，反射激光束指向不同方向。固態激光雷達的優點包括了：數據采集速度快，分辨率高，對于溫度和振動的適應性強；通過波束控制，探測點（點云）可以任意分布，例如在高速公路主要掃描前方遠處，對于側面稀疏掃描但并不完全忽略，在十字路口加強側面掃描。而只能勻速旋轉的機械式激光雷達是無法執行這種精細操作的。

光學相控陣式(OPA)

相控陣發射器由若干發射接收單元組成陣列，通過改變加載在不同單元的電壓，進而改變不同單元發射光波特性，實現對每個單元光波的獨立控制，通過調節從每個相控單元輻射出的光波之間的相位關系，在設定方向上產生互相加強的干涉從而實現高強度光束，而其他方向上從各個單元射出的光波彼此相消。組成相控陣的各相控單元在程序的控制下可使一束或多束高強度光束按設計指向實現空域掃描。

但光學相控陣的制造工藝難度較大，這是由于要求陣列單元尺寸必需不大于半個波長，普通目前激光雷達的任務波長均在1微米左右，這就意味著陣列單元的尺寸必需不大于500納米。而且陣列數越多，陣列單元的尺寸越小，能量越往主瓣集中，這就對加工精度要求更高。此外，材料選擇也是十分關鍵的要素。

泛光面陣式（FLASH）

泛光面陣式是目前全固態激光雷達中最主流的技術，其原理也就是快閃，它不像MEMS或OPA的方案會去進行掃描，而是短時間直接發射出一大片覆蓋探測區域的激光，再以高度靈敏的接收器，來完成對環境周圍圖像的繪制。

硬件參數

我們以目前最為成熟的車載MEMS式激光雷達為例，講解其關鍵的硬件參數。

視場角與分辨率

激光雷達視場角分為水平視場角和垂直視場角，水平視場角即為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°。垂直視場角為在垂直方向上可以觀測的角度，一般為40°。而它并不是對稱均勻分布的，因為我們主要是需要掃描路面上的障礙物，而不是把激光打向天空，為了良好的利用激光，因此激光光束會盡量向下偏置一定的角度。并且為了達到既檢測到障礙物，同時把激光束集中到中間感興趣的部分，來更好的檢測車輛，激光雷達的光束不是垂直均勻分布的，而是中間密，兩邊疏。下圖是禾賽64線激光雷達的光束示意圖，可以看到激光雷達的有一定的偏置，向上的角度為15°，向下的為25°，并且激光光束中間密集，兩邊稀疏。

 回波模式

由于激光接收器是接收發射器發射的激光，可能存在一個發射器穿過多個物體，對應的一個接收器接收到多個回波的情況。而回波模式即是調整輸出的數據包內包含的內容，在單回波模式下，每一個數據塊包括64個激光通道的測距數據，可選擇為最強回波還是最后回波。在雙回波模式下，每兩個數據塊對應64個激光在同一輪發光測距的不同回波數據，比如同時包含最強回波和最晚回波。

點頻

即周期采集點數，因為激光雷達在旋轉掃描，因此水平方向上掃描的點數和激光雷達的掃描頻率有一定的關系，掃描越快則點數會相對較少，掃描慢則點數相對較多。一般這個參數也被稱為水平分辨率，比如激光雷達的水平分辨率為0.2°，那么掃描的點數為360°/0.2°=1800，也就是說水平方向會掃描1800次。那么激光雷達旋轉一周，即一個掃描周期內掃描的點數為1800*64=115200。比如禾賽64線激光雷達，掃描頻率為10Hz的時候水平角分辨率為0.2°，在掃描頻率為20Hz的時候角分辨率為0.4°（掃描快了，分辨率變低了）。輸出的點數和計算的也相符合115200 pts/s。

有效檢測距離

激光雷達是一個收發異軸的光學系統（其實所有的機械雷達都是），也就是說，發射出去的激光光路，和返回的激光光路，并不重合。這主要是因為激光發射器和接收器不能做在一起導致的，此方案本身便存在小量的誤差。現在很多方案，都是向著共軸努力。

激光雷達的測距精度，隨著距離的變化而變化。有幾個原因：

我們這里說的激光雷達，是指 TOF 激光雷達，TOF 測距，靠的是 TDC 電路提供計時，用光速乘以單向時間得到距離，但限于成本，TDC 一般由 FPGA 的進位鏈實現，本質上是對一個低頻的晶振信號做差值，實現高頻的計數。所以，測距的精度，強烈依賴于這個晶振的精度。而晶振隨著時間的推移，存在累計誤差；距離越遠，接收信號越弱，雷達自身的尋峰算法越難以定位到最佳接收時刻，這也造成了精度的劣化；

而由于激光雷達檢測障礙物的有效距離和最小垂直分辨率有關系，也就是說角度分辨率越小，則檢測的效果越好。如果兩個激光光束之間的角度為0.4°，那么當探測距離為200m的時候，兩個激光光束之間的距離為200m*tan0.4°≈1.4m。也就是說在200m之后，只能檢測到高于1.4m的障礙物了。如果需要知道障礙物的類型，那么需要采用的點數就需要更多，距離越遠，激光雷達采樣的點數就越少，可以很直接的知道，距離越遠，點數越少，就越難以識別準確的障礙物類型。

LiDAR的數據

三維點

對于旋轉式激光雷達來說，得到的三維點便是一個很好的極坐標系下的多個點的觀測，包含激光發射器的垂直俯仰角，發射器的水平旋轉角度，根據激光回波時間計算得到的距離。但LiDAR通常會輸出笛卡爾坐標系下的觀測值，第一是因為LiDAR在極坐標系下測量效率高，也只是對于旋轉式LiDAR，目前陣列式LiDAR也有很多。第二笛卡爾坐標系更加直觀，投影和旋轉平移更加簡潔，求解法向量，曲率，頂點等特征計算量小，點云的索引及搜索都更加高效。

對于MEMS式激光雷達，由于一次采樣周期為一個偏振鏡旋轉周期，10hz下采樣周期為0.1秒，但由于載體本身在進行高速移動時，我們需要對得到的數據進行消除運動畸變，來補償采樣周期內的運動。

反射強度

LiDAR返回的每個數據中，除了根據速度和時間計算出的反射強度其實是指激光點回波功率和發射功率的比值。而激光的反射強度根據現有的光學模型，可以較好的刻畫為以下模型。