LiDAR(雷达)技术介绍
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02工作原理
激光雷达与微波雷达的异同：
激光雷达工作原理：
向被测目标发射探测信号（激光束），然后测量反射或发射信号的到达时间、强弱程度等参数，以确定目标的距离、方位、运动状态及表面光学特性。
用飞行时间法（Time of flight method）测算出L：
从公式可以看出精度取决于时间，所以对接收装置的要求很高。如果做到1cm的精度，可以推出对时间的测量精度达到0.067ns。
这些核心指标参数，其实就可以判断一个传感器是否满足你的使用需求
最大辐射功率
第一重要的参数，首先看是否得到安全认证，是否需要做防护
水平视场
机械式雷达360度旋转，水平全视角
垂直视场
一般16线俯仰角30度，从-15度到15度，应用最多、最广泛
光源波长
光学参数，纳米参数
最远测量距离
是否满足长距离探测
测量时间/帧频率
传统雷达以微波作为载波的雷达，大约出现在1935年
雷达按频段可分为：超视距雷达、微波雷达、毫米波雷达以及激光雷达等
激光雷达即激光探测及测距系统LiDAR(Light Detection and Ranging)，是一种通过发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。
用激光器作为发射光源，采用光电探测技术手段的主动遥感设备。激光雷达是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测方式。由发射系统、接收系统、信息处理等部分组成。
LiDAR(雷达）技术介绍
相对于传统测距传感器，激光雷达在测量精度、测量距离、角分辨率、抗干扰能力等方面具有巨大的综合优势。
01背景概述
雷达（英文Radar的音译，源于radio detection and ranging的缩写），意思为"无线电探测和测距"，发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标的距离、速度、方位、高度等信息。
对于远距离探测，常采用望远镜加物镜的结构设计或远心成像光学系统。
4.激光传输技术
大气消光特性
地球大气由空气分子以及固体和液体悬浮颗粒（也称为气溶胶）组成。
激光在传输过程中存在分子、气溶胶的吸收和散射衰减效应。
分子吸收具有非常强的光谱选择特性，其中水蒸气、二氧化碳和臭氧是主要吸收分子
对于激光雷达来讲，常用的位于大气窗口的波长有~1.5μm，~1μm，0.85μm，和0.78μm波段
激光波的优异性能：
角分辨率和距离分辨率高
抗干扰能力强
能获得目标多种图像信息（深度、反射率等）
体积小，质量轻
探测反射率信息，这一点在做无人驾驶中的车道线信息识别非常重要
激光以波长短、准直性高的性能优势，广泛应用在测绘、气象监测、安防、无人驾驶等领域。
激光雷达自1960年作为一种全新的测量工具发展至今，到三维扫描和无人驾驶上的应用，蕴含着巨大的商业价值。
频率灵敏度：也称响应频率或响应时间
适合于激光雷达的光电探测器主要有PIN光电二极管、硅雪崩二极管（Si-APD）等
PIN光电二极管：频带宽（可达10GHz）、灵敏度高、线性输出范围宽、噪声低
硅雪崩二极管（Si-APD）：超低噪声、高速（0.1nm）、高互阻抗增益，0.6-0.9μm
探测技术
直接探测（能量探测）
利用探测器的光电转换功能直接实现对光信号的信息解调
优点：系统简单
缺点：精度低、对噪声敏感
相干探测（外差探测）
和直接探测相比，多了一路本振激光输出，平衡探测器起到光混频器的作用，它响应于信号光和本振光的差频分量，输出一个中频光电流
优点：灵敏度高，精度高
缺点：系统复杂
3.光学系统设计技术
发射光学系统
激光二极管示意图
分子散射也称为瑞利散射，它与大气浓度和入射光波长相关
在近地大气层常见以下几种大气光学状态：烟雾雨雪等，需根据经验公式推算激光衰减规律。
目标特性
向后角反射器
也称为立方角锥棱镜，实际上它是由3个镀有反射膜且互相垂直的反射面构成的四面体，相当于是从一个立方体切下来的一个角
出射光与入射光平行，但方向相反，属于合作目标，广泛应用于月球和卫星的激光定位、宇宙飞船的对接系统及大地测量
朗伯目标
是指散射光强遵循朗伯余弦定律的表面，确切地说，从材料表面任何给定方向上反射的光强（单位立体角通量）正比于该方向与表面法线之间夹角的余弦
根据激光雷达截面积大小，分为点目标、大目标、扩展目标
气溶胶和空间散射物
扩束镜解决进一步压缩激光发散角问题
辅助光学系统解决激光束偏振太控制、光隔离等问题
需要根据激光器类型（如激光二极管、固体激光器、光纤激光器或气体激光器）及其输出参数二具体设计。
接收光学系统
也称为接收光学天线。
为了尽可能地将目标发射回来的激光能量会聚到探测器上，而且适当限制接收接收视场，减小杂散光的干涉，提高接收机的灵敏度和信噪比。
考虑因素包括：波长、大气传输特性、功率、光束截面、发散角、信号形式、平台限制（体积、重量和功耗）、对人眼安全程度、可靠性、成本和技术成熟程度等
2.探测器及探测技术
探测器：能把光辐射转换成一种便于测量（电压或电流）的物理量器件。有如下关键参数
积分灵敏度：也称为响应度，表示光电流与入射光功率的关系
光谱灵敏度：表征探测器的光谱选择特性
雷达返回一圈的时间
纵向分辨率和水平分辨率
对算法影响大，精度越高价值越贵，满足应用的情况下，选性价比高的
测距精度
厘米级已经满足无人驾驶的应用场景
激光雷达分类：
关键技术
激光雷达融合激光、大气光学、雷达、光机电一体化和信号处理等诸多领域技术，下面逐一介绍各关很多，性能各异，需要综合考虑各种因素后加以选择
各种激光器发射的激光束并不是绝对平行的，通常有几个毫弧度（mrad）发散角，到达远处时光斑直径很大。
通过理想的透镜系统，可以改变发射光束的发散度、波束宽度和截面积，总功率保持不变。
发射光学系统，也称为发射光学天线，一般由准直镜、扩束镜（望远镜光学系统）和辅助光学系统组成。
准直镜解决激光器准直输出问题
激光雷达系统组成：
发射单元，激光器、发射光学系统。发射激光束探测信号
接收单元，接收光学系统、光学虑光装置、光电探测器。接收反射的激光信号，即回波信号
控制单元，控制器、逻辑电路。控制激光激发、信号接收及系统工作模式
信号处理单元，信号处理、数据校准与输出。光电转换，信号分析，数据获取
激光雷达八大核心技术指标：
激光雷达与微波雷达的异同：
激光雷达工作原理：
向被测目标发射探测信号（激光束），然后测量反射或发射信号的到达时间、强弱程度等参数，以确定目标的距离、方位、运动状态及表面光学特性。
用飞行时间法（Time of flight method）测算出L：
从公式可以看出精度取决于时间，所以对接收装置的要求很高。如果做到1cm的精度，可以推出对时间的测量精度达到0.067ns。
这些核心指标参数，其实就可以判断一个传感器是否满足你的使用需求
最大辐射功率
第一重要的参数，首先看是否得到安全认证，是否需要做防护
水平视场
机械式雷达360度旋转，水平全视角
垂直视场
一般16线俯仰角30度，从-15度到15度，应用最多、最广泛
光源波长
光学参数，纳米参数
最远测量距离
是否满足长距离探测
测量时间/帧频率
传统雷达以微波作为载波的雷达，大约出现在1935年
雷达按频段可分为：超视距雷达、微波雷达、毫米波雷达以及激光雷达等
激光雷达即激光探测及测距系统LiDAR(Light Detection and Ranging)，是一种通过发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。
用激光器作为发射光源，采用光电探测技术手段的主动遥感设备。激光雷达是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测方式。由发射系统、接收系统、信息处理等部分组成。
LiDAR(雷达）技术介绍
相对于传统测距传感器，激光雷达在测量精度、测量距离、角分辨率、抗干扰能力等方面具有巨大的综合优势。
01背景概述
雷达（英文Radar的音译，源于radio detection and ranging的缩写），意思为"无线电探测和测距"，发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标的距离、速度、方位、高度等信息。
对于远距离探测，常采用望远镜加物镜的结构设计或远心成像光学系统。
4.激光传输技术
大气消光特性
地球大气由空气分子以及固体和液体悬浮颗粒（也称为气溶胶）组成。
激光在传输过程中存在分子、气溶胶的吸收和散射衰减效应。
分子吸收具有非常强的光谱选择特性，其中水蒸气、二氧化碳和臭氧是主要吸收分子
对于激光雷达来讲，常用的位于大气窗口的波长有~1.5μm，~1μm，0.85μm，和0.78μm波段
激光波的优异性能：
角分辨率和距离分辨率高
抗干扰能力强
能获得目标多种图像信息（深度、反射率等）
体积小，质量轻
探测反射率信息，这一点在做无人驾驶中的车道线信息识别非常重要
激光以波长短、准直性高的性能优势，广泛应用在测绘、气象监测、安防、无人驾驶等领域。
激光雷达自1960年作为一种全新的测量工具发展至今，到三维扫描和无人驾驶上的应用，蕴含着巨大的商业价值。
频率灵敏度：也称响应频率或响应时间
适合于激光雷达的光电探测器主要有PIN光电二极管、硅雪崩二极管（Si-APD）等
PIN光电二极管：频带宽（可达10GHz）、灵敏度高、线性输出范围宽、噪声低
硅雪崩二极管（Si-APD）：超低噪声、高速（0.1nm）、高互阻抗增益，0.6-0.9μm
探测技术
直接探测（能量探测）
利用探测器的光电转换功能直接实现对光信号的信息解调
优点：系统简单
缺点：精度低、对噪声敏感
相干探测（外差探测）
和直接探测相比，多了一路本振激光输出，平衡探测器起到光混频器的作用，它响应于信号光和本振光的差频分量，输出一个中频光电流
优点：灵敏度高，精度高
缺点：系统复杂
3.光学系统设计技术
发射光学系统
激光二极管示意图
分子散射也称为瑞利散射，它与大气浓度和入射光波长相关
在近地大气层常见以下几种大气光学状态：烟雾雨雪等，需根据经验公式推算激光衰减规律。
目标特性
向后角反射器
也称为立方角锥棱镜，实际上它是由3个镀有反射膜且互相垂直的反射面构成的四面体，相当于是从一个立方体切下来的一个角
出射光与入射光平行，但方向相反，属于合作目标，广泛应用于月球和卫星的激光定位、宇宙飞船的对接系统及大地测量
朗伯目标
是指散射光强遵循朗伯余弦定律的表面，确切地说，从材料表面任何给定方向上反射的光强（单位立体角通量）正比于该方向与表面法线之间夹角的余弦
根据激光雷达截面积大小，分为点目标、大目标、扩展目标
气溶胶和空间散射物
扩束镜解决进一步压缩激光发散角问题
辅助光学系统解决激光束偏振太控制、光隔离等问题
需要根据激光器类型（如激光二极管、固体激光器、光纤激光器或气体激光器）及其输出参数二具体设计。
接收光学系统
也称为接收光学天线。
为了尽可能地将目标发射回来的激光能量会聚到探测器上，而且适当限制接收接收视场，减小杂散光的干涉，提高接收机的灵敏度和信噪比。
考虑因素包括：波长、大气传输特性、功率、光束截面、发散角、信号形式、平台限制（体积、重量和功耗）、对人眼安全程度、可靠性、成本和技术成熟程度等
2.探测器及探测技术
探测器：能把光辐射转换成一种便于测量（电压或电流）的物理量器件。有如下关键参数
积分灵敏度：也称为响应度，表示光电流与入射光功率的关系
光谱灵敏度：表征探测器的光谱选择特性
雷达返回一圈的时间
纵向分辨率和水平分辨率
对算法影响大，精度越高价值越贵，满足应用的情况下，选性价比高的
测距精度
厘米级已经满足无人驾驶的应用场景
激光雷达分类：
关键技术
激光雷达融合激光、大气光学、雷达、光机电一体化和信号处理等诸多领域技术，下面逐一介绍各关很多，性能各异，需要综合考虑各种因素后加以选择
各种激光器发射的激光束并不是绝对平行的，通常有几个毫弧度（mrad）发散角，到达远处时光斑直径很大。
通过理想的透镜系统，可以改变发射光束的发散度、波束宽度和截面积，总功率保持不变。
发射光学系统，也称为发射光学天线，一般由准直镜、扩束镜（望远镜光学系统）和辅助光学系统组成。
准直镜解决激光器准直输出问题
激光雷达系统组成：
发射单元，激光器、发射光学系统。发射激光束探测信号
接收单元，接收光学系统、光学虑光装置、光电探测器。接收反射的激光信号，即回波信号
控制单元，控制器、逻辑电路。控制激光激发、信号接收及系统工作模式
信号处理单元，信号处理、数据校准与输出。光电转换，信号分析，数据获取
激光雷达八大核心技术指标：