万字长文文带你了解自动驾驶重要传感器——激光雷达

本篇是本人基本汇集全网信息，按照自己逻辑顺序写的。算是自动驾驶激光雷达基础，文中有错还请指出。
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激光雷达背景

1.1. 概念与特点

激光雷达是利用激光作为信号波的一种探测装置。LiDAR（光探测和测距，Light detection and ranging）是激光雷达的简称，集激光、全球定位系统(GPS)、惯性导航 系统(INS)于一身。与普通雷达类似，激光雷达通过探测被物体弹回的信号波实现测量，不同的是其利用激光作为信号波。
激光雷达具有以下特点：
1) 分辨率高：极高的角分辨率、极高的距离分辨率、速度分辨率高。分辨率高,是激光雷达的最显著的优点,大多数的应用都是基础这个特点。
2) 低空探测性好： 由于是采用回波分析的原理，只有照射到的目标才会发生反射，不需要考虑地物回波等因素的影响，这比一般的微波雷达强了许多，基本上可以实现零高度工作。
3) 隐蔽性好，抗干扰能力较强：由于激光具备直线性好，方向性好的优良特点，光束很窄，干扰信号进入接收器的概率极低，能够适应各种苛刻的使用环境。

1.2. 分类

图1-1：激光雷达分类

1.3. 激光雷达系统结构

自动驾驶车辆激光雷达系统工作原理：激光发射电路在主控模块的作用下向目标物发射激光。当激光打在目标物上时，目标物将激光反射回激光接收电路，然后由主控模块对信号进行计算、处理，得到大量无拓扑结构离散的空间坐标点，即点云，通过计算机对点云数据进行处理可以使车辆准确感知到当前路面状况并使得车辆及时做出相应操作。

图1-2：辆激光雷达系统结构框图

（1）发射模块
发射端主要是激光器。 NdYAG 固体激光器、CO2 气体激光器和 GaAlAs 半导体二极管激光器、光纤激光器等最具有代表性。
（2）接收模块
接收端又叫光电探测器，利用光电效应，把光信号转换为电信号。
（3）扫描模块
扫描式激光雷达会用到光学扫描器，混合式激光雷达以MEMS振镜为扫描器，相控阵激光雷达以相控阵器件为扫描器。相控阵雷达的扫描器最难实现，其最大的问题在于如何改变各个单元的相位，通过电光效应、电吸收效应、自由散流效应、液晶等等，目前还没有既成本低又效果好的解决方案。

1.4. 激光雷达关键技术指标

（1）激光的波长
与可见激光比，波长更长的近红外激光的穿透性更好，且不容易受太阳光影响，因此更多的应用在远距离激光雷达中。目前市场上三维成像激光雷达最常用的波长是905nm和1550 nm。
在相同人眼安全等级的功率下，905 nm激光雷达很难在200 m以外的高速公路上看到高度为10 cm左右的物体，但是1550 nm激光雷达却可以将检测距离提高到300 m以上。此外，1550 nm配合调频连续波(FMCW)的技术，不仅可以检测距离，同时可以利用多普勒频移来测量物体的速度。大气穿透能力强，人眼安全性高是1550 nm激光光源的显著特点，但是相较于905 nm激光雷达，1550 nm激光雷达在光源及探测器成本、体积以及供应链成熟度上还有明显的不足。

图1-3：电磁波谱图

（2）探测距离
激光雷达的测距与目标的反射率相关。目标的反射率越高则测量的距离越远，目标的反射率越低则测量的距离越近。反射率就是射到目标物的激光能够被反射回来的比率。目标反射率越高，雷达能够检测到的有效回波就越多，所以能测量的距离越远。因此在查看激光雷达的探测距离时要知道该测量距离是目标反射率为多少时的探测距离
为保证行车安全，车载LiDAR的探测距离至少应该在100m以上，好的情况下可以达到150m~200m。
（3）测量精度
一般以厘米计，精度是衡量激光雷达采集数据重复性的指标。高精度意味着对同一目标的重复测量将非常接近平均值，低精度意味着在均值附近的离散值较大。按无人驾驶的定位精度要求，车载LiDAR的测距精度至少应达到10cm以内，好的情况下能达到2~5cm。
（4）视野FOV
FOV指的是能够环视的最大范围。旋转型头部可发射多束激光，能够获得宽阔的视野角度。相比而言，固体电路型的光束转向有限，一般视野角度狭小
因为不像机械式LiDAR那样多线束360度旋转，固态LiDAR的视野范围通常比机械式要小。水平视场角通常在100°_{120°，需要3}4个固态LiDAR拼接才能覆盖360°；垂直视场角通常在十几度到二十几度，也有才几度的，相比混合固态通常在30°左右，还有改进空间。
（5）角分辨率
角分辨率是指打出去两个激光点之间的距离，它决定了激光雷达三维建模的稀疏程度。一个是垂直分辨率，另一个是水平分辨率。水平方向做到高分辨率难度较低，因为水平方向上是由电机带动的，所以水平分辨率可以做得很高。一般可以做到0.01度级别。激光脉冲是固定频率的，所以水平方向的分辨率只和雷达旋转速度有关，只要速度足够慢，分辨率就可以很高。但是扫描速度慢也会影响信息采集的速率
垂直分辨率是指上下两个线束形成的激光点的夹角。线束在垂直方向上不是均匀分布的，而是中间密集，上下稀疏，如图1-4所示。这也很好理解，因为中间更有可能探测到行人或者是障碍物。垂直分辨率是与发射器几何大小相关，也与其排布有关系，就是相邻两个发射器间隔做得越小，垂直分辨率也就会越小。垂直分辨率为0.1~1度的级别。

图1-4：垂直分辨率

（6）扫描频率
即激光雷达内部电机旋转转速，如，10Hz即一秒转10圈。无人车在高速行驶过程中，需快速扫描更新数据以应对突发情况，扫描频率通常在10~30Hz。
（7）数据频率
也叫周期采集点数，如一个64线的激光雷达，水平FOV是120°，水平分辨率在10Hz的扫描频率下是0.2°。激光一次打出64个点，扫描一次120°能打出64x120/0.2=38400，1秒扫描10次，一共有384000pts/s。出点数越多，扫描效果越好。激光雷达作为高精度传感器，采集数据的频率在100万点/秒左右。
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