激光雷达结构原理与应用
1. 基本概念
激光(Larser)这个名称的意思是受激辐射的光放大,是个光放大的过程。激光属于电磁波的一种,是电磁场的一种运动形态。激光发出具有高方向性的光束,组成的光波在一条直线上传播,不会扩散。激光束内的光波都是相同颜色的,此性质叫单色性。普通光源发出的光波会朝各个方向扩散,普通的光一般来说是几种颜色的光混合后表现为白色。激光雷达是一种向被测目标发射探测信号(激光束),然后测量反射或散射信号的到达时间、强弱程度等参数,以此确定目标的距离、方位、运动状态及表面光学特性的雷达系统。激光雷达具有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等优点。
2.分类
(1)按功能分类
1)激光测距雷达。激光测距雷达是对被测物体发射激光光束并接收反射波,通过记录该时间差来确定被测物体与测试点的距离。
2)激光测速雷达。激光测速雷达是对运动物体速度的测量,通过对被测物体发射两次激光脉冲信号进行测距,从而得到该被测物体的移动速度。
3)激光成像雷达。激光成像雷达是激光技术、雷达技术、光学扫描与控制技术、高灵敏度探测技术以及高速计算机处理技术的综合产物,具有较高的角度分辨率和距离分辨率可以形成高分辨率的三维图像。
4)大气探测激光雷达。大气探测激光雷达用于探测大气中分子与烟雾的密度、温度风速、风向及水蒸气浓度,对大气环境进行监测,对暴风雨、沙尘暴等灾害性天气进行预报
如图1所示。
5)跟踪雷达。跟踪雷达可以连续跟踪一个目标,并测量出该目标的坐标,提供目标的运动轨迹。
(2)按工作介质分类
1)固体激光雷达。固体激光雷达就是指没有运动部件的激光雷达,也叫作固态激光雷达,如图2所示。它具有结构简单、尺寸小、寿命高、成本低等优点。
图1大气探测激光雷达
图2固体激光雷达
2)气体激光雷达。气体激光雷达以CO2激光雷达为代表。激光脉冲在大气层中行进,一方面被气溶胶散热,另一方面被大气物质吸收,气体激光雷达所提取的信息正是表现为CO2气体对激光脉冲能量的吸收。在激光雷达吸收探测系统中,既利用了气溶胶散热形成的回波,又利用了气体吸收而获得CO2的信息,其吸收信号的强弱反应了CO2浓度的大小。
气体激光雷达工作在红外波段,大气传输衰减小,探测距离远,已经在大气风场和环境监测方面发挥了很大作用。
3)半导体激光雷达。半导体激光器又称激光二极管,是用半导体材料作为工作物质的激光器。常用工作物质有砷化镓、硫化镉、磷化铟等。半导体激光雷达能以高重复频率方式连续工作,具有寿命长、体积小、成本低和对人眼伤害小的优点。
(3)按线数分类
1)单线激光雷达。激光雷达的基本构成是发射器和接收器。单线激光雷达就是只有一个激光发射器和一个激光接收器,经过电机的旋转投射到前面是一条直线,如图3所示。单线激光雷达的好处是数据量少、效率高、稳定性好、技术成熟,但是只能平面式描,不能测量物体高度,有一定的局限性。主要应用于扫地机器人、酒店服务机器人等。
图3单线激光雷达
图4多线激光雷达
2)多线激光雷达。多线激光雷达主要应用于雷达成像系统,相比单线激光雷达在维度提升和场景还原上有了质的改变,可以识别物体的高度信息。多线激光雷达可以做到3D成像,能够实现行车环境的髙精度建模,如图4所示。目前市场上推出的多线激光雷达主要有4线、8线、16线、32线、64线和128线。
(4)按有无旋转部件分类
1)机械式激光雷达。机械式激光雷达指发射和接收系统通过不断旋转发射头,将发出的激光从线变成面,并在竖直方向上排布多束激光,形成多个面,进而达到动态3D扫描并连续接收信息的目的。机械式激光雷达作为在自动驾驶车辆上最先应用的激光雷达产品,具有扫描速度快、接收视场大、可承受较高的激光功率等优点;但也具有结构笨重、重量和体积较大、装调工作复杂、价格高等缺点。
2)全固态激光雷达。全固态激光雷达内部没有运动部件,目前市场上主要的全固态激光雷达产品有光学相控阵激光雷达、调频连续波激光雷达、纳米天线阵列激光雷达和泛光面阵式激光雷达。全固态激光雷达耐久性、可靠性最佳,符合自动驾驶对雷达固态化小型化和低成本化的需求
3.结构原理
(1)基本结构
激光雷达主要由激光发射系统、激光接收系统、扫描系统和信息处理系统四部分组成。
激光雷达基本结构如图5所示。
图5激光雷达基本结构
1)激光发射系统。激光发射系统的激励源周期性地驱动激光器,发射激光脉冲,利用激光调制器通过光束控制器控制发射激光的方向和线数,最后通过发射光学系统将激光发射至目标物体。
2)激光接收系统。激光接收系统经接收光学系统光电探测器接收目标物体反射回来的激光,产生接收信号
3)信息处理系统。信息处理系统将接收信号经过放大处理和数模转换后,由信息处理模块计算,获取目标表面形态、物理属性等特征,最终建立物体模型。
4)扫描系统。扫描系统以稳定的转速旋转起来,实现对所在平面的扫描,并产生实时的平面图信息。
(2)工作原理
激光雷达的工作原理与超声波雷达非常相近,它是以激光作为信号源,由激光器发射出的脉冲激光,打到地面的树木、道路、桥梁和建筑物上,引起散射,一部分光波会反射到激光雷达的接收器上,根据激光测距原理计算,就得到从激光雷达到目标点的距离。脉冲激光不断地扫描目标物,就可以得到目标物上全部目标点的数据,用此数据进行成像处理后,就可得到精确的三维立体图像。
在激光雷达前端有一个光学发射和光学接收系统,在发射系统后端有N组发射模块,在接收系统后端也有N组与发射模块对应的接收模块。当激光雷达开始工作时,N组发射模块和N组接收模块在系统电路的精确控制下,按照一定的时间顺序轮流工作,发射和接收激光束。
编码器是一种用于运动控制的传感器,它利用光电、电磁、电感等原理,检测物体的机械位置及其变化,并将此信息转换为电信号作为运动控制的反馈,传递给各种运动控制装置。光学旋转编码器属于编码器中较为特殊的一种,它通过光电转换,可将输出轴的角位移、角速度等机械量转换成相应的电脉冲以数字量输出,可以精确地测试电机角位移和旋转位置。旋转电机带动扫描镜按照一定的顺序和速度旋转,将激光器发出的激光束发射出去,然后反射回来的激光束通过光学接收系统进行处理计算,这样就可以形成光学扫描,如6所示。
图6激光雷达工作原理
(3)产品参数
1)发射功率。发射功率是激光雷达方案设计中需要预先确定的一项重要指标。通过分析激光传输时能量转换过程建立激光雷达方程,从系统的探测概率、虚警概率和系统信噪比的关系确定发射功率,通过仿真技术得出在满足系统器件参数和应用背景下所需的发射功率。激光雷达的最大发射功率决定了是否需要进行安全防护。
2)视场角。激光雷达视场角分为水平视场角和垂直视场角。水平视场角是在水平方向
上可以观测的角度范围,旋转式激光雷达旋转一周为360°,所以水平视场角为360°。垂直视场角是在垂直方向上可以观测的角度，一般为40°。它并不是对称均匀分布的,因为主要是需要扫描路面上的障碍物,而不是把激光打向天空,为了很好地利用激光,激光光束会尽量向下偏置一定的角度。而且,为了达到既检测到障碍物,同时又能够把激光束集中到中间重点关注的部分,来更好地检测车辆,激光雷达的光束不是垂直均匀分布的,而是中间密,两边疏。以64线激光雷达的光束为例,如图7所示,可以看到激光雷达光束有一定的偏置,向上的角度为15°,向下为25°,且激光光束中间密集,两边稀疏。
图7激光雷达64线垂直视场角
3)光源波长。激光波长是指激光器的输出波长,是激光器输出激光光束的重要参数,相应的输出频率叫激光频率。激光的波长单位通常用纳米(nm)来度量,而激光又可以分为可见激光和不可见激光两大类。一般情况下,人眼能够清晰分辨的可见光波长基本在400~700m之间。激光的波长越短,它的颜色越蓝越紫,直到人眼看不见的紫外线。激光的波长越长,它的颜色越偏向红色,直到人眼看不见的红外线。激光雷达发出的激光束属于不可见光,通常的波长为905m左右。
4)测量距离。在激光雷达的转速及点频一定的情况下,测距越远,点密度越稀,精度随之降低;要想保证测试距离远,点频设置也相应调整较低,点密度就越小,精度随之降低。对于车规级的激光雷达,其测量距离通常要达到150m以上。
5)测距精度。在测量过程中,任何一种测量方式的精密程度高低都只能是相对的,不可能达到绝对精确,总会存在各种原因导致的误差。为使测量结果准确可靠,应尽量减少误差,提高测量精度。目前的车载激光雷达测距精度通常控制在厘米级。
文字来源：智能网联汽车技术概论，图片来源网络
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