激光雷达的工作流程详解

国内车企普遍采用雷达" target="_blank">激光雷达技术，因其高精度、高分辨率的特性，能在不同光照条件下稳定工作，探测距离远且可靠性强。结合当前的AI技术，激光雷达已成为智能驾驶汽车不可或缺的基础设施。接下来，我们将深入探讨激光雷达如何感知周围世界。激光雷达，即LiDAR(Light Detection and Ranging)，其工作原理类似于我们熟悉的手电筒。通过发射激光光束并测量其与物体相交时的反射情况，激光雷达能够精确地确定物体的位置、距离和形状。

激光雷达的工作流程详解

首先，激光器作为信号源，会发射出脉冲激光，这些激光束会撞击到地面、树木、车辆等各种被测物体的表面。随后，这些激光会发生散射，其中一部分反射光会回到激光雷达的接收器中。通过激光测距的原理，我们可以计算出激光雷达与目标点之间的距离。

不仅如此，激光雷达还能通过水平旋转的方式，获取到车辆周围所有目标物的激光点数据。经过成像处理后，这些数据能够形成一个精确的三维立体点云，从而为我们描绘出周围环境的详细轮廓。

此外，激光雷达的「128线」参数，代表了其水平分辨率，即激光器在水平方向上发射和接收激光束的数量或密度。线数越高，意味着激光雷达的水平分辨率也越高，能够提供更为细致的环境感知能力。

而「点云」数据，则是激光雷达获取的核心信息，它是由一系列三维空间中的点组成，每个点都代表了一个物体表面或障碍物被激光扫描到的位置。这些点云数据可以被广泛应用于构建环境地图、检测障碍物、定位车辆或机器人等场景中。

激光雷达通过其独特的工作流程，为智能驾驶提供了「看见」世界的能力。当激光雷达发射的激光束撞击到物体表面后，通过接收反射光并运用激光测距原理，它能够精确计算出与目标点的距离。进一步地，激光雷达的水平旋转功能使其能够获取到车辆周围所有目标物的激光点数据，经过成像处理后，这些数据将形成一个详尽的三维立体点云，从而为智能驾驶系统描绘出周围环境的精确轮廓。

近年来，随着中国新车企的迅猛发展，行业内对激光雷达算法工程师的需求日益旺盛。然而，市面上缺乏系统介绍车载激光雷达相关应用的图书。

激光雷达，这一智能驾驶的“眼睛”，通过发射激光束并接收反射光，能够精确测量与目标点的距离。而算法，作为激光雷达的“大脑”，则负责对这些数据进行智能化处理，帮助机器感知和理解周围环境。本书将深入剖析激光雷达技术的三项核心算法，包括标定算法、滤波算法和特征提取与匹配算法。其中，标定算法是确保激光雷达数据准确性的关键一环，它涉及到激光雷达与车体外参的标定、内参的标定以及与其他传感器数据的同步等复杂问题。通过详细解读这些算法的工作原理和应用场景，我们将能够更深入地了解激光雷达如何为智能驾驶提供强有力的支持。

激光雷达是一种以发射激光束来探测目标位置、速度等特征量的雷达系统。这个系统也可以通过扫描发射和接收装置来获取目标物体的三维形状，在不同角度发射和接收激光脉冲，可以构建出物体的完整三维轮廓。

激光雷达的工作原理基于光的发射、传播和接收，最终通过测量光脉冲从发射到接收的时间来确定距离，下图是激光雷达测量距离的基本步骤。

发射激光脉冲：激光雷达设备发射一束激光脉冲，这些脉冲通常是红外或近红外光。

光的传播：激光脉冲以光速传播，向目标物体移动。

光的反射：当激光脉冲遇到目标物体时，部分光会被反射回来。

接收反射光：激光雷达设备中的接收器捕捉反射回来的激光。接收器通常与发射器紧密对齐，以确保接收到的光是直接从目标物体反射回来的。

时间测量：设备内部的计时器记录激光脉冲发射和接收的时间间隔。由于光速是已知的，这个时间间隔可以用来计算光脉冲往返目标物体的距离。

计算距离：距离的计算公式是，距离=光速×时间/2，其中时间是光脉冲往返的时间。

数据处理：测量到的距离数据可以用于生成点云，这激光雷达在短时间内可以获取大量的位置点信息(或者称为激光点云)，这些点云可以进一步处理，生成三维模型或地形图。

LiDAR，即激光雷达，是一种基于雷达原理的主动遥感技术。它以激光脉冲为辐射源，替代了传统的无线电波。在这一技术中，激光源会发射指向特定目标(如地形地貌)的脉冲，当这些脉冲遇到地形时，部分激光能量会被反射回传感器。通过精确测量激光脉冲的往返时间，LiDAR系统能够准确计算出传感器与测绘地形之间的距离。当与全球定位系统(GPS)和惯性测量单元(IMU)结合使用时，LiDAR能够进一步生成包含大量三维(3D)地理参考点云的数据集，这些点云提供了空间中的详细数据。相较于传统的摄影测量方法，LiDAR对天气、季节和时间的变化不甚敏感，且能穿透植被，从而更快地生成高分辨率的3D地形信息。

LiDAR已成为地形、浅水区域和工程现场数据采集的重要工具。飞机搭载的LiDAR系统能大面积快速收集数据，而地基固定平台和移动平台也常用于街道测绘和自动驾驶应用的数据采集。这些技术助力了铁路、公路、桥梁、建筑物等基础设施的精确开发，因此在测量和工程领域受到广泛青睐。接下来，我们将深入探讨LiDAR系统的机载应用及其工作原理。

机载LiDAR数据采集的基本原理是利用激光脉冲的往返时间进行测量。通常，商用机载传感器都是基于这种原理工作的。这些传感器常被安装在固定翼飞机或直升机上，以获取大区域或小区域的高分辨率数据。当激光脉冲穿过大气层并照射到地面上的物体时，部分激光能量会被反射回传感器。通过精确测量激光脉冲的往返时间，可以计算出传感器与目标之间的距离。此外，LiDAR技术还具有高精度、大点密度和广泛覆盖范围等优点，使得终端用户能够快速有效地重新采样感兴趣的区域。

在LiDAR系统中，激光器是核心部件，其性能对整个系统至关重要。激光器的规格不仅决定了系统成本，还影响了其性能和应用范围。因此，在选择激光器时，需要综合考虑多个因素，包括激光波长、输出功率、光束质量等。此外，不同波长的激光在穿透力、目标反射率和大气传输等方面也有所差异，需要根据具体应用场景进行选择。

在机载地形测绘领域，1064 nm波长备受青睐。这一波长得益于丰富的商用激光源和光探测器资源。硅基探测器的使用更为广泛，因其增益高且成本低廉，与GaAs基光电探测器相比更具优势。此外，1064 nm波长对植被和雪等常见测绘目标具有高反射率，提升了测绘精度。然而，它也存在一定的安全隐患，对人眼可能造成潜在危害。因此，在实际应用中需要采取相应的激光危害控制措施。另外，降低激光功率或扩束激光束以减小危害，可能会限制激光束的可用辐射范围。同时，532 nm波长在海洋测深应用中表现尤为出色。由于532 nm波长在纯水中的高透过率以及对海底微粒的后向散射限制较小，使得它在海底和海岸区域的高分辨率测绘中成为理想选择。

激光雷达的工作流程详解

首先，激光器作为信号源，会发射出脉冲激光，这些激光束会撞击到地面、树木、车辆等各种被测物体的表面。随后，这些激光会发生散射，其中一部分反射光会回到激光雷达的接收器中。通过激光测距的原理，我们可以计算出激光雷达与目标点之间的距离。

不仅如此，激光雷达还能通过水平旋转的方式，获取到车辆周围所有目标物的激光点数据。经过成像处理后，这些数据能够形成一个精确的三维立体点云，从而为我们描绘出周围环境的详细轮廓。

此外，激光雷达的「128线」参数，代表了其水平分辨率，即激光器在水平方向上发射和接收激光束的数量或密度。线数越高，意味着激光雷达的水平分辨率也越高，能够提供更为细致的环境感知能力。