浅谈激光雷达功能作用与发展

‌‌激光雷达是一种先进的遥感技术，通过发射激光束并测量其反射光的返回时间或频率变化，来精确探测目标物体的距离、速度、角度及其三维形状等信息‌。‌

技术原理‌：

激光雷达的工作原理主要基于光的飞行时间(ToF, Time of Flight)或多普勒效应。

激光雷达系统主要由激光发射器、接收器、扫描和定位装置(如GPS)以及信息处理系统组成。激光发射器发射高能窄脉冲的激光束，接收器捕捉目标物体反射回来的激光光子，扫描和定位装置控制激光束的方向和范围，并结合定位技术确定精确位置。

‌军事应用‌：

激光雷达在军事领域可以用于对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。

由于其高精度和快速、高效作业的特点，激光雷达在军事侦察、目标定位等方面具有显著优势。

‌汽车应用‌：

在自动驾驶领域，激光雷达是关键的传感器之一。

它能够实时获取车辆周围环境的三维信息，包括道路、障碍物、行人等，为自动驾驶系统提供精确的导航和避障依据。

车载激光雷达主要分为机械式、混合固态和固态三种类型，其中量产的车载激光雷达基本上都是采用飞行时间(ToF)探测方式。

综上所述，激光雷达作为一种先进的遥感技术，在多个领域都发挥着重要作用，特别是在自动驾驶领域，其高精度和实时性为自动驾驶技术的发展提供了有力支持。

一、激光雷达作为地面智能移动平台核心环境感知传感器的作用不可或缺

(一)地面智能移动平台的环境感知功能需求

地面智能移动平台(无人车)的关键技术主要包括环境感知技术、定位与导航技术，以及车辆动力学控制技术等。其中，环境感知技术用来获取车辆周围环境信息，以激光雷达等主动型测距传感器为主，被动型测距传感器为辅，采用信息融合的方法实现无人车进行自主决策，相当于无人驾驶汽车的眼和耳。

同时，军用背景也为无人车提出了新的挑战：由于车辆行驶在非标准化道路上，几乎没有路线标识，经验信息相对较小，因此自主决策尤为重要。其中环境感知技术便是自主决策的重要基础，必须具备实时性、鲁棒性和实用性。为实现复杂战场环境下获取目标距离、目标材质等感知能力，因此激光雷达成为优选的重要手段。

(二)激光雷达在环境感知系统中所起的作用

1.激光雷达传感器特点

激光的波长比微波短好几个数量级，且有更窄的线宽，因此激光雷达特点是：(1)探测灵敏度和测量分辨率高，信息量大，可获得振幅、频率和相位信息，可测速及识别动目标。具有运动目标的高分辨率清晰图像成像能力。(2)抗干扰性好，被截获概率低。(3)在相同的环境下，比微波雷达体积小、重量更轻。(4)激光雷达与激光通信复合性好，探测通信一体化、兼备性强。

2.激光雷达与其他传感器的性能对比分析

无人车环境感知系统由诸多传感器组成，主要包括：超声波雷达、视觉系统、毫米波雷达、激光雷达等。

相对于其他传感器，激光雷达具有以下优势：受光照条件影响小，可靠性和精确性高于被动传感器;激光雷达采用主动测距法，对环境光的强弱和物体色彩差异具有很强的鲁棒性;激光雷达直接计算与被测物空间距离，算法直接准确;激光雷达速度更快，实时性更好;视角大、测距范围大。因此激光雷达在无人车环境感知领域具有重要地位，是不可或缺的传感器。

(三)智能移动平台用激光雷达发展现状

1.机械扫描式激光雷达技术

由于激光具有良好的方向性，发散角较小，远距离光斑照射面积也较小，因此为了增加探测面积，一般需要进行扫描。无人车载环境感知上的激光雷达以单线、多线作为不同分类。单线激光雷达的应用在国内已经相对较广。单线激光雷达可以获取二维数据，但无法识别目标的三维信息。而多线激光雷达则可以识别2.5维甚至是三维数据，在采集信息量上会比单线雷达高很多。目前在国际市场上推出的主要有4线、8线、16线、32线和64线。随着线数的增加，其识别的数据量也相继倍增。2017年，扫描激光雷达高端产品已有128线问世，数据量和感知精度有了质的飞跃。

世界各国的许多研究机构都正在积极开展以激光雷达硬件为重点的研究。其中，应用最为广泛、技术相对领先并实现商品化的公司主要有IBEO、VELODYNE、SICK、HOKUYO等。目前这几家公司也是国外掌握激光雷达用于无人车/智能辅助驾驶技术专利的代表性机构。

2.固态激光雷达技术

在结构化道路中，由于采集信息十分丰富，使用者多要求激光雷达尽可能与整车外形一体化，缩小激光雷达体积。为满足这一要求，有机构提出了“固态激光雷达”概念，即改机械扫描为电扫描或无扫描。尤其2017年是固态激光雷达爆发的一年，各类固态激光雷达如雨后春笋般涌现。本文将对国外固态激光雷达发展情况进行梳理，主要的固态激光雷达方案及研究机构见表1。

扫描方式产品厂商优点不足

微振镜扫描体积小;扫描速度快;无机械运动，显示细节能力强。视场角有限;可承受光功率受限;其温度漂移、非线性等性质研究的还不够透彻。

固态波束转向不管哪一项固态波束转向技术，均需考虑在没有同轴收发的情况下接受端与发射端相匹配的问题，技术较难。

面阵成像视场角有限;测距动态范围有限;大阵列受现有技术限制。

激光雷达(Lidar)是一种通过使用激光光束来测量距离、形状、方向和速度的远程感测技术。它在各种领域都有广泛的应用，包括自动驾驶汽车、机器人技术、环境监测、地质勘探等。以下是激光雷达的一些主要特征和应用：

特征：

激光发射： 使用激光器发射短脉冲的激光束。

激光反射： 激光束与目标表面相交后，部分光被反射回激光雷达。

时间测量： 通过测量激光从发射到反射返回所花费的时间，计算目标与激光雷达的距离。

角度测量： 通过控制激光束的方向或使用多个激光束，可以测量目标的角度信息。

数据处理： 获取的数据经过处理，生成目标的空间三维坐标信息。

应用场景：

自动驾驶： 在自动驾驶汽车中，激光雷达用于实时感知周围环境，检测障碍物和制定行车路径。

机器人技术： 用于机器人导航、障碍物避免和环境建模。

环境监测： 用于大气、海洋和地球表面的监测，包括大气层轮廓分析和海洋表面高度测量。

地质勘探： 用于测绘地形、检测地下油气资源和进行地质勘探。

军事应用： 用于目标识别、跟踪和导航，包括飞行器、车辆和人员。

建筑与城市规划： 用于建筑测绘、城市规划和地理信息系统(GIS)。

气象观测： 用于大气层的观测和气象学研究。

安全与监控： 在安防领域中用于实时监控和检测异常活动。

激光雷达的应用领域不断扩展，其高精度、远距离、实时性等特点使其成为许多领域中不可或缺的传感技术。

激光雷达具有多种功能，其主要作用是通过激光光束测量距离、形状、方向和速度，提供对目标环境的高精度感测和建模。以下是激光雷达的主要功能：

距离测量： 激光雷达能够精确测量目标与激光雷达之间的距离，利用激光的时间飞行原理实现。

形状和轮廓感测： 通过扫描激光束，激光雷达可以获取目标的形状和轮廓信息，包括高度、宽度和长度等。

角度测量： 通过控制激光束的方向或使用多个激光束，激光雷达能够测量目标相对于雷达的角度信息，实现对目标的方向感测。

速度测量： 利用多普勒效应，激光雷达可以测量目标的速度，包括静止目标和运动目标。

实时感测： 激光雷达能够在实时性要求下进行高频率的数据采集，实时更新目标位置和状态。

环境建模： 通过获取目标周围的空间信息，激光雷达可以创建三维环境模型，用于导航、路径规划和障碍物避免。

目标识别和分类： 利用获取的形状和轮廓信息，激光雷达可以帮助识别和分类目标，如车辆、行人、建筑等。

地形测绘： 在地质勘探和地形测绘中，激光雷达用于生成地表高程模型和地形图。

自动驾驶： 在自动驾驶系统中，激光雷达是关键的感测器，用于感知周围环境，检测障碍物和实现自主导航。

安防监控： 用于监测和识别安防领域中的异常活动，提高监控系统的效能。

气象观测： 用于大气层轮廓分析、云层测量和其他气象学研究。

城市规划和建筑测绘： 激光雷达在城市规划和建筑测绘中可以用于获取建筑物和地形的详细信息。

这些功能使得激光雷达在自动化、科学研究、工业应用等多个领域发挥着关键作用，为各种应用场景提供高精度的感测和定位能力。