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激光雷达全面分析总共四篇，本文为基础篇，包含雷达相关知识，激光雷达的介绍，工作原理，核心部件，技术指标。第二篇为技术篇，之后两篇是市场篇以及产业篇，欢迎关注。
( |1 r( ^# \4 a- ^ 1. 原理简单，毫米波/激光/超声波
& k* U3 h5 a) W3 S r: w 介绍激光雷达之前，先了解雷达。 # c( {2 F/ ?4 O$ x- m
雷达，是英文“Radar”的音译，英文全称为Radio Detection and Ranging，即无线电探测和测距。
( Y& T: [' G$ M/ `# B8 r" J 雷达向目标发射无线电波，通过发送信号与目标反射信号进行对比，来获得目标至发射点距离、距离变化率、方位、高度以及角度等信息。
3 F0 x0 q7 E y7 ` 按照发射电波的频率或波长，雷达主要有以下应用： " I" z2 O$ X; E) |' L
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雷达发明于19世纪，直到20世纪30年代初才开始流行，在二战时期声名鹊起。 7 Y: L1 R, J% _+ X8 S1 [4 a. l
1938年，盟军在英国泰晤士河口布置了200公里长的雷达网，给希特勒造成极大的威胁。随后，英国海军又将雷达安装在军舰上，在海战中发挥了重要作用。 ( ~3 h: k% w$ K1 o8 `
1 ?" w% J; f* n0 F, j1 R8 l2 f 雷达不仅运用在军事上，还可用于探测天气，海洋测绘，民用飞机航空管制，查找地下20米深处的古墓等。
: |9 m' z& P' x 虽然各种雷达的用途和结构不尽相同，但基本构造是一样的，简单来说都包括：发射器、接收器机和处理器。 ; I* V c* E/ h
雷达发射无线电波，事实上，不论无线电波，还是我们平时看到的可见光，在本质上都是电磁波，在真空中传播的速度都是光速。 ) N, H4 Z; _1 h( J# p
下图为电磁波图谱： - N, R4 z0 R7 E$ I/ }( w. m
8 e) c! g! z$ C& S% w& {( x 根据公式：光速= 波长 * 频率，频率越高，波长越短。波长越短，意味着分辨率越高；而分辨率越高，意味着在距离、速度、角度上的测量精度更高。 * x$ G+ ?' A. Y
目前应用于汽车无人驾驶的雷达主要有三种：
6 D: [/ l: H/ u x, N6 H% C 1. 介于微波和红外线之间，频率范围10GHz—200GHz，波长为毫米级，毫米波雷达； i0 s, o0 N6 ^8 B5 a" E N
2. 介于红外线和可见光之间，频率大致为10^14Hz（100000GHz），波长为纳米级，本文的主角——激光雷达； b1 Q: ` l# G( W
3. 频率高于20000Hz的超声波雷达；
, W# `. ^( i$ E }0 R' | 需要指出的是，毫米波和激光属于电磁波一种，是电磁场的一种运动形态；而超声波属于声波，是物体机械振动状态的传播，超声波振动频率大于20000Hz，一般人耳听不到。
5 V* n! ^4 W& m; _0 ?- v' F5 z) u 无论是普通雷达，激光雷达，毫米波雷达，或者超声波雷达，其工作原理都是一样的，发出信号，测量从物体反射回来的时间，由于光速恒定，因此可以通过测量时间来计算距离。这一物理学基础在过去一个世纪中并没有改变。 5 ?0 ^: ^6 p- y$ f. i$ D) O
3 R, r0 ^4 W0 @& {, K 2. 最大优势：三维点云建模9 s3 I$ p2 |+ Z6 K5 s
了解了雷达之后，开始介绍激光雷达。
( ]" M. o7 F( s 激光雷达（英文Lidar），英文全称为Laser Detecting and Ranging，即激光探测和测距。 3 I. o. }# k8 @ _+ M" z L# u* k
与雷达工作原理类似，激光雷达通过发射和接收激光束。
7 W5 f7 _9 N" k6 z 通过测量激光信号的时间差和相位差来确定距离，通过水平旋转扫描来测角度，并根据这两个参数建立二维的极坐标系，再通过获取不同俯仰角度信号获得三维中的高度信息。
0 T, L. t& R" C x6 }. q 高频激光可在一秒内获取大量（约150万个）的位置点信息（称为点云），并根据这些信息进行三维建模。
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除了获得位置信息外，激光信号的反射率可以区分目标物质的不同材质。激光雷达的维度（线束）越多，测量精度越高。
. O8 B Q/ M9 W7 h 由于激光频率高，波长短，所以可以获得极高的角度、距离和速度分辨率。 & _' o1 z8 I2 @ r: l; U+ u) ^
距离和速度分辨率高，意味着可以利用多谱勒成像技术，创建出目标清晰的3D图像，这就是激光雷达最大的优势。 ( P' T- u8 }- N/ ]) [1 O/ S5 I7 d
在激光问世的第二年（1961年），就有人提出了激光雷达的设想，在1971年阿波罗15号任务中，美国宇航员使用激光高度计来绘制月球表面，让人们认识到激光雷达的准确性和实用性，得到了广泛的关注。
9 e* a7 `$ ~# ^ R$ L, ` 世界第一款汽车用激光雷达是美国Velodyne公司生产的64线激光雷达，首次亮相于2005年无人驾驶挑战赛。
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3. 工作原理和组成：四大系统，八个指标4 y. x h8 U4 B4 J! t* }2 I% a
激光雷达 = 激光发射+激光接收+信息处理+扫描系统
1 Y7 E" x, j: O8 j7 }5 S 下图所示为激光雷达系统组成： : K8 F4 a7 x' ^9 s+ O$ ^5 J5 J
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激光发射系统：激励源周期性地驱动激光器，发射激光脉冲，激光调制器通过光束控制器控制发射激光的方向和线数，最后通过发射光学系统，将激光发射至目标物体；
- i9 g+ F" @* Z1 ^' n* v- z 激光接收系统：经接收光学系统，光电探测器接受目标物体反射回来的激光，产生接收信号；
6 E: s% O5 U& F/ n( x! z 信息处理系统：接收信号经过放大处理和数模转换，经由信息处理模块计算，获取目标表面形态、物理属性等特性，最终建立物体模型。
) u8 e7 p' D U% K3 n, {, H! _% e 扫描系统，以稳定的转速旋转起来，实现对所在平面的扫描，并产生实时的平面图信息。
2 i) f% N- o4 T! B" y/ | 下面放一张动图，更加形象生动：
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2 j; k: n& I3 n1 L 下图为激光雷达的核心器件，除了光学镜片之外，大部分都为电子元器件。 % e" Y! }" n8 T) o( o/ r4 G' r
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激光雷达实物具体什么样？
, |3 c- m2 @3 ^! J8 {8 o 下图为Velodyne公司的64线激光雷达HDL_64E。 + X) v$ W5 R K2 t7 J: R3 t
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该雷达前端上下分布有四组激光发射器（每组16个发射机，共64个）和两组激光接受器（每组32个激光接收机，对应64个）。 7 l$ x* z" Y" a/ u1 x* c
在电路的控制下，发射机和接收机按照时间顺序轮流工作，在水平和俯仰方向形成光学扫描。 ; h6 Q q: M' w2 j o2 f
一般来说，用以下八个技术指标来评价激光雷达： 最大辐射功率：决定是否需要防护水平视场：是否360度全视角旋转垂直视场：俯仰角角度（30度/15度）光源波长：光学参数（纳米级别）测量距离：是否满足长距离探测（200米）测量时间和帧频率：激光返回一圈的时间纵向和水平分辨率：对算法影响大，精度越高越贵测距精度：厘米级
3 B8 S! o& F* L8 ^2 M. D （下一篇技术篇，包括激光雷达的分类，关键技术以及主要挑战，敬请期待） 7 ~; y, L0 _. L
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