激光雷达技术原理与系统解析(一)

激光雷达（Light Detection and Ranging，LiDAR）作为一种主动遥感技术，通过发射激光束探测目标的距离、方位、速度等特征，已成为自动驾驶、测绘、机器人导航等领域的核心感知设备。其基本原理是利用光的传播特性，通过测量激光脉冲从发射到反射回接收器的时间差或相位差，计算目标与传感器的距离，再结合扫描机制构建三维点云地图。本文将系统解析激光雷达的工作原理、技术分类、核心模块及应用特性。

基本工作原理：光的飞行时间与空间扫描

激光雷达的核心功能是实现 “测距” 与 “三维建模”，其工作流程可分为三个阶段：激光发射、目标反射、信号接收与处理。

测距原理是激光雷达的技术基石，主要分为飞行时间（Time of Flight，TOF）法和三角测距法两类。TOF 法通过测量激光脉冲在空气中的传播时间计算距离，公式为：距离 D = (光速 c × 飞行时间 t)/2（除以 2 是因为光程为往返路径）。例如，当激光从发射到接收的时间为 100 纳秒时，对应的距离约为 15 米（c=3×10⁸m/s，t=100×10⁻⁹s，D=3×10⁸×100×10⁻⁹/2=15m）。TOF 法又可分为脉冲式（直接测量脉冲往返时间）和相位式（通过测量发射与接收激光的相位差计算时间），前者适用于远距离测量（百米级），后者精度更高（毫米级）但量程较短（十米级）。

三角测距法则通过几何关系计算距离：激光发射器与接收器以固定角度安装，发射的激光束照射目标后，反射光在接收器的成像平面上形成光斑，根据光斑位置与基线长度（发射器与接收器间距），利用三角相似原理计算距离。该方法因无需高精度时间测量，适合近距离（0.5-50 米）、高帧率场景（如工业检测），但受限于光学系统尺寸，难以实现远距离探测。

空间扫描机制赋予激光雷达三维感知能力。通过机械旋转、电子转向等方式改变激光束的传播方向，使激光束按特定轨迹（如螺旋线、光栅线）覆盖目标区域。每个激光脉冲对应一个空间点（x,y,z），大量点的集合形成点云。扫描频率（每秒点数，Points Per Second）决定了点云密度，例如自动驾驶激光雷达通常需要≥200 万点 / 秒，以保证对快速移动目标的识别精度。