第4章 激光雷达的原理及其应用
激光雷达的工作原理与信号处理
激光雷达的工作原理与信号处理激光雷达（Light Detection and Ranging，简称LiDAR）是一种利用激光束探测目标并测量其距离、速度和方向等信息的技术。
它在自动驾驶、环境监测、地图绘制等领域得到广泛应用。
本文将探讨激光雷达的工作原理以及信号处理方面的内容。
一、激光雷达的工作原理激光雷达通过发射一束窄束激光，然后测量激光束被目标物体反射后返回的时间和强度，从而实现测量目标物体的距离和形状等信息。
其工作原理可以分为激光发射、目标反射和激光接收三个过程。
1. 激光发射：激光雷达通过激光发射器发射一束激光束。
一般而言，激光雷达会采用红外激光作为发射光源，因为红外激光有较好的穿透能力和抗干扰性。
2. 目标反射：激光束照射到目标物体上后，会被目标反射回来。
目标物体的形状、颜色和表面材质等因素会影响激光的反射情况。
3. 激光接收：激光雷达接收到目标反射回来的激光束，并通过接收器将激光信号转换为电信号进行处理。
接收器通常包括光电二极管和放大器等组件，用于接收和放大反射信号。
二、激光雷达信号处理激光雷达通过对接收到的激光信号进行处理，可以获得目标物体的距离、速度和方向等信息。
信号处理在激光雷达系统中起着重要的作用，是激光雷达工作的关键环节。
1. 距离测量：利用激光束的发射和接收时间差，可以计算出目标物体与激光雷达之间的距离。
一般来说，激光雷达系统会使用飞行时间（Time of Flight）或相位差测量法（Phase Shift）来实现精确的距离测量。
2. 速度测量：通过分析接收到的激光信号的频率变化，可以获得目标物体的速度信息。
激光雷达通常采用多普勒效应来实现速度测量，即利用光频移变化进行速度测量。
3. 方向测量：利用激光雷达的扫描方式，即通过旋转或扫描来覆盖整个空间，可以获得目标物体的方向信息。
通常情况下，激光雷达会采用机械扫描或电子扫描的方式进行方向测量。
4. 数据处理：激光雷达系统会通过采样和数字信号处理技术对接收到的激光信号进行滤波、去噪和数据分析等处理。
激光雷达应用
激光雷达具备独特的优点，如极高的距离分辨率和角分辨率、速度分辨率高、测速范围广、能获得目标的多种图像、抗干扰能力强、比微波雷达的体积和重量小等。
这使得激光雷达能精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。
自1961年科学家提出激光雷达的设想，历经 40余年，激光雷达技术从最简单的激光测距技术开始，逐步发展了激光跟踪、激光测速、激光扫描成像、激光多普勒成像等技术，进而研发出不同用途的激光雷达，如精密跟踪激光雷达、侦测激光雷达、侦毒激光雷达、靶场测量激光雷达、火控激光雷达、导弹制导激光雷达、气象激光雷达、水下激光雷达、导航激光雷达等。
激光雷达已成为一类具有多种功能的系统。
目前，激光雷达在低空飞行直升机障碍物规避、化学和生物战剂探测和水下目标探测等军事领域方面已进入实用阶段，其它军事应用研究亦日趋成熟。
它在工业和自然科学领域的作用也日益显现出来。
一、军事领域应用侦察用成像激光雷达激光雷达分辨率高，可以采集三维数据，如方位角-俯仰角-距离、距离-速度-强度，并将数据以图像的形式显示，获得辐射几何分布图像、距离选通图像、速度图像等，有潜力成为重要的侦察手段。
美国雷锡昂公司研制的ILR100激光雷达，安装在高性能飞机和无人机上，在待侦察地区的上空以120～460m的高度飞行，用GaAs激光进行行扫描。
获得的影像可实时显示在飞机上的阴极射线管显示器上，或通过数据链路发送至地面站。
1992年，美国海军执行了“辐射亡命徒”先期技术演示计划，演示用激光雷达远距离非合作识别空中和地面目标。
该演示计划使用的CO2激光雷达在P-3C 试验机上进行了飞行试验，可以利用目标表面的变化、距离剖面、高分辨率红外成像和三维激光雷达成像，识别目标。
同时，针对美国海军陆战队的战备需求，桑迪亚国家实验室和Burns公司分别提出了手持激光雷达的设计方案。
这种设备能由一名海军陆战队队员携带，重量在2.3～3.2kg之间，可以安装在三脚架上；系统能自聚焦，能在低光照条件下工作；采集的影像足够清晰，能分辨远距离的车辆和近距离的人员。
《激光雷达简介》课件
测量范围越大，激光雷达的 探测距离就越远
测量范围越小，激光雷达的 探测精度就越高
激光雷达的分辨率是指其能够分辨的最小距离或角度 分辨率越高，激光雷达的精度和探测距离就越高 分辨率受激光雷达的硬件和软件设计影响 分辨率是衡量激光雷达性能的重要指标之一
扫描速率是指激光雷达在一定时间内能够扫描的频率 扫描速率越高，激光雷达的探测范围越广 扫描速率与激光雷达的硬件性能和算法有关 扫描速率是衡量激光雷达性能的重要指标之一
发射激光：激光雷 达发射激光束，形 成光束
接收反射：激光遇 到物体后反射，被 激光雷达接收
计算距离：通过计 算发射和接收的时 间差，计算出物体 与激光雷达的距离
生成图像：通过多次 发射和接收，激光雷 达可以生成三维图像 ，用于定位和导航
自动驾驶汽车：用于感知周围环境，实现自动驾驶 智能机器人：用于导航和避障，提高机器人自主性 测绘和地理信息：用于地形测绘、城市规划等 工业自动化：用于生产线上的物体检测和定位 安防监控：用于监控区域，实现智能安防 航空航天：用于卫星导航、空间探测等
激光雷达性能指标
测量距离：激光雷达可以精确测量物体的距离，误差范围在厘米级 测量角度：激光雷达可以精确测量物体的角度，误差范围在度级 测量速度：激光雷达可以精确测量物体的速度，误差范围在米/秒级 测量分辨率：激光雷达可以精确测量物体的分辨率，误差范围在毫米级
测量范围受到激光雷达的功率、 波长、接收器灵敏度等因素的 影响
工业监控：用 于监测生产设 备、环境、人
员等
环境监控来发展 前景
自动驾驶：激光雷达是自动驾驶汽车的关键传感器，可以提供精确的3D环境信息， 提高自动驾驶的安全性和可靠性。
激光雷达系统
历史沿革
自从1839年由Daguerre和Niepce拍摄第一张像片以来，利用像片制作像片平面图(X、Y)技术一直沿用。到 了1901年荷兰人Fourcade发明了摄影测量的立体观测技术，使得从二维像片可以获取地面三维数据(X、Y、Z)成 为可能。一百年以来，立体摄影测量仍然是获取地面三维数据最精确和最可靠的技术，是国家基本比例尺地形图 测绘的重要技术。
激光雷达系统
激光探测及测距系统的简称
01 简介
03 技术发展 05 基本原理
目录
02 历史沿革 04 主要途径 06 主要用途
激光雷达LiDAR(LightLaser Detection and Ranging)，是激光探测及测距系统的简称。
用激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物。由发射机、天线、接收机、跟 踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体 激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、 半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式， 探测方法分直接探测与外差探测。
基本原理
LIDAR是一种集激光，全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术与一身的系统，用于获得数据并生 成精确的DEM。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。它又分为日臻成熟的用于获 得地面数字高程模型(DEM)的地形LIDAR系统和已经成熟应用的用于获得水下DEM的水文LIDAR系统，这两种系统 的共同特点都是利用激光进行探测和测量，这也正是LIDAR一词的英文原译，即：LIght Detection And Ranging - LIDAR。
激光雷达原理
激光雷达原理------读书笔记99121-佃邓洪川一•概念:雷达"(Radio Detection and Range,Radar)是一种利用电磁波探测目标位置的电子设备.电磁波其功能包括搜索目标和发现目标；测量其距离，速度，角位置等运动参数；测量目标反射率，散射截面和形状等特征参数。
传统的雷达是微波和毫米波波段的电磁波为载波的雷达。
激光雷达以激光作为载波.可以用振幅、频率、相位和振幅来搭载信息，作为信息载体。
激光雷达利用激光光波来完成上述任务。
可以采用非相干的能量接收方式，这主要是一脉冲计数为基础的测距雷达。
还可以采用相干接收方式接收信号，通过后置信号处理实现探测。
激光雷达和微波雷达并无本质区别，在原理框图上也十分类似，见下图微波雷达显示控制激光雷达激光雷达由发射，接收和后置信号处理三部分和使此三部分协调工作的机构组成。
激光光速发散角小，能量集中，探测灵敏度和分辨率高。
多普勒频移大，可以探测从低速到高速的目标。
天线和系统的尺寸可以作得很小。
利用不同分子对特定波长得激光吸收、散射或荧光特性，可以探测不同的物质成分，这是激光雷达独有的特性。
目前，激光雷达的种类很多，但是按照现代的激光雷达的概念，常分为以下几种：(1)按激光波段分，有紫外激光雷达、可见激光雷达和红外激光雷达。
(2)按激光介质分，有气体激光雷达、固体激光雷达、半导体激光雷达和二极管激光泵浦固体激光雷达等。
(3)按激光发射波形分，有脉冲激光雷达、连续波激光雷达和混合型激光雷达等。
（4）按显示方式分，有模拟或数字显示激光雷达和成像激光雷达。
（5）按运载平台分，有地基固定式激光雷达、车载激光雷达、机载激光雷达、船载激光雷达、星载激光雷达、弹载激光雷达和手持式激光雷达等。
（6）按功能分，有激光测距雷达、激光测速雷达、激光测角雷达和跟踪雷达、激光成像雷达，激光目标指示器和生物激光雷达等。
（7）按用途分，有激光测距仪、靶场激光雷达、火控激光雷达、跟踪识别激光雷达、多功能战术激光雷达、侦毒激光雷达、导航激光雷达、气象激光雷达、侦毒和大气监测激光雷达等。
激光雷达定位原理
激光雷达定位原理激光雷达是一种高精度、高可靠性的三维测绘技术，常被应用于自动驾驶、机器人导航、机械人等领域。
激光雷达定位原理相对于其他定位技术具有更广泛的适用场景和更高的精度。
本篇文章将围绕激光雷达定位原理，向读者一步步阐述它的工作原理。
第一步：发射激光束激光雷达采用激光束对目标进行扫描。
激光是一种能量十分集中的光波，被发射出去的激光具有极高的单色性和相干性，且传播时能较好地保持光束的形状，从而有助于保证扫描的精度。
第二步：接收反射光信号当激光束照射到目标表面时，会反射回激光雷达所在的位置。
激光雷达通过接收反射光信号的时间差、方向和强度等信息，可以计算出目标物体的距离、角度和位置等信息，并将其转化为三维坐标。
第三步：计算扫描数据点激光雷达在进行扫描时，会将扫描转化成一个个数据点进行记录。
根据激光束的出射方向和激光束与目标间的距离，可以计算出扫描数据点在三维空间中的位置。
第四步：组建点云地图激光雷达会持续扫描目标物体，直到整个目标物体被扫描完成。
此时，所有的数据点会被组建成一张点云地图。
点云地图是由大量的点构成的，这些点代表了被扫描物体表面的特征点和空间结构。
第五步：匹配点云地图和实时数据在进行实时定位时，激光雷达会通过匹配点云地图和实时数据，来获取车辆或机器人当前的位置。
匹配的过程一般分为两种方式：基于特征的匹配和基于全局地图的匹配。
基于特征的匹配是通过寻找在点云中明显特征来进行的，例如出现交叉或者边界的地方。
而基于全局地图的匹配是通过匹配整个点云地图和实时扫描点云来进行的。
综上所述，激光雷达定位原理的核心就在于利用激光扫描和点云匹配来获取目标物体的位置信息。
相比于其他定位技术，激光雷达在精度和适用场景上具有更大的优势。
因此，随着无人驾驶、机械人领域的不断发展，激光雷达的应用前景也将愈加广泛。
简述激光雷达的工作原理
简述激光雷达的工作原理激光雷达是一种利用激光技术进行测量和感知的设备，它的工作原理是通过发射和接收激光束来获取目标物体的位置和距离信息。
激光雷达主要由激光源、发射器、接收器、光电探测器、信号处理器等组成。
工作时，激光源会发射出一束激光束，该激光束经过发射器的调节后，会以一定的频率和方向扫描周围环境。
当激光束遇到目标物体时，会发生反射和散射。
一部分光会被目标物体吸收，一部分光会被目标物体反射回来。
接收器会接收到这些反射回来的光，并将其转化为电信号，然后传送到光电探测器中进行处理。
光电探测器会将接收到的电信号转化为数字信号，通过信号处理器进行进一步处理。
处理器会根据信号的时间、强度等参数来计算出目标物体的位置和距离信息。
利用这些信息，可以构建出目标物体的三维模型，并进行跟踪和识别。
激光雷达的工作原理基于光的特性和测量原理。
激光束的传播速度是已知的，通过测量从发射到接收的时间差，可以计算出激光束传播的距离。
而激光束的强度衰减与距离的平方成反比关系，通过测量激光束的强度，可以推算出目标物体的距离。
激光雷达的工作原理具有很高的精度和准确性。
由于激光束是一束平行光，因此在传播过程中几乎不会发生衍射和散射现象，可以准确地探测目标物体的位置和距离。
同时，激光雷达具有较高的测量频率，可以实时地获取目标物体的位置和运动信息。
激光雷达在许多领域有着广泛的应用。
在自动驾驶领域，激光雷达可以实时地感知周围环境，帮助车辆进行导航和避障，保证行驶的安全性。
在工业领域，激光雷达可以用于测量和检测，帮助工程师进行精确的定位和测绘。
在军事领域，激光雷达可以用于目标识别和侦察，提供重要的情报支持。
总结来说，激光雷达是一种利用激光技术进行测量和感知的设备。
它通过发射和接收激光束来获取目标物体的位置和距离信息。
激光雷达具有高精度、高准确性和高测量频率的特点，广泛应用于自动驾驶、工业测量和军事侦察等领域。
激光雷达 测距原理
激光雷达测距原理激光雷达是一种利用激光技术进行距离测量的装置。
它通过发射激光脉冲并接收反射回来的信号来确定目标物体与雷达的距离。
激光雷达的测距原理基于光的传播速度和回波信号的时间差。
激光雷达的工作原理可以简单概括为以下几个步骤：首先，激光雷达发射器发射一束激光脉冲，该脉冲在空气中以光速传播。
当激光脉冲遇到目标物体时，一部分能量被目标物体吸收，一部分能量被散射到周围空间。
反射回来的激光脉冲经过接收器接收，并通过计时器记录下信号来回传播的时间。
根据光的传播速度和时间差，可以计算出激光脉冲往返的距离。
在这个过程中，激光雷达需要具备较高的测量精度和快速的数据处理能力。
激光雷达的测距原理基于光的传播速度和时间差。
光在真空中的传播速度为每秒约299,792,458米，而在空气中的传播速度相对较慢，约为每秒299,702,547米。
因此，通过测量激光脉冲往返的时间差，可以得到目标物体与激光雷达的距离。
激光雷达的测距原理具有高精度和快速响应的优势。
激光脉冲的传播速度非常快，可以实时地获取目标物体的距离信息。
同时，激光雷达还可以通过发射多个激光脉冲来获取目标物体的三维坐标信息，从而实现对目标物体的准确定位。
激光雷达在许多领域都有广泛的应用。
例如，在自动驾驶汽车中，激光雷达可以用于实时感知周围环境，帮助汽车进行障碍物检测和路径规划。
此外，激光雷达还可以用于测量地形地貌、建筑物结构监测、工业自动化等领域。
总的来说，激光雷达利用激光技术进行距离测量的原理是通过发射激光脉冲并接收反射回来的信号来确定目标物体与雷达之间的距离。
激光雷达具有高精度、快速响应和广泛的应用领域，为许多领域的科学研究和工程实践提供了重要的技术支持。
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➢ 在2018年的 CES （国际消费类电子产品展览会）上 ，Velodyne 对外展
示了两款产品：128
线激光雷达
VLS-128和固态激光
雷达
Velarray。
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1、激光雷达在无人驾驶中的作用
环境地图构建
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2
激光雷达的概念
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2.1、激光雷达的概念
激光雷达实际上是一种工作在光学波段（特殊波段）的雷达；它是以激 光 作为载波，以光电探测器为接收器件，以光学望远镜为天线。
LIDAR，(Light Detention and Ranging) LADAR, (Laser Detection and Ranging)
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1
激光雷达在无人驾驶中的作用
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1、激光雷达在无人驾驶中的作用
激光雷达是无人驾驶车辆的“标配”
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1、激光雷达在无人驾驶中的作用
障碍与行人检测
图片来源于IBEO官网视频
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1、激光雷达在无人驾驶中的作用
车距精准控制
图片来源于IBEO官网视频
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5.7、无人车载激光雷达遇到的挑战
恶劣环境适应性
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5.7、无人车载激光雷达遇到的挑战
恶劣环境适应性
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5.7、无人车载激光雷达遇到的挑战
计算量大
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6
车载激光雷达的发展趋势
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6.1、激光雷达的成本将进一步降低
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6.2、激光雷达向多线束以及固态激光雷达发展
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2.4、无人车挑战赛与激光雷达
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2.5、激光雷达的优势与不足
优势
分辨率高 方向性好 获取的信息量丰富 可全天时工作
不足
容易受到大气条件以及工作环境的烟尘的影响
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3
激光雷达的基本组成及分类
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3.1、激光雷达的基本组成
激光雷达系统主要包括：激光发射器、扫描与光学部件和感光部件。
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5.1、无人车载激光雷达主要指标
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5.2、机械激光雷达与固态激光雷达
• 机械激光雷达
• 固态激光雷达
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5.3、单线激光雷达
单线激光雷达
扫描一次只产生一条扫描线， 其所获得的数据为 2D数据； 扫描速度高、角度分辨率高； 体积、重量和功耗低； 可靠性更高； 成本低。
“激光雷达”是激光技术与雷达技术相结合的产物，最早应用于航天领域。 随着需求的牵引和技术的进步，以后陆续提出并实现：激光多普勒雷达、激
光 测风雷达、激光成像 冲激 光雷达、激光合成孔径雷达、激光相控阵雷达等。 激光雷达已经广泛应用到诸多领域，如交通、测绘、安防、航天等。
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5.5、无人车中常用的激光雷达
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5.6、激光雷达的在无人车中的应用举例
障碍物的检测、分类与跟踪
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5.6、激光雷达的在无人车中的应用举例
车道线检测和路沿检测
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5.6、激光雷达的在无人车中的应用举例
生成高精度地图
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5.7、无人车载激光雷达遇到的挑战
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2.2、点云的概念
点云：激光雷达在单位采样时间内获得的位置点信息。
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2.2、点云的概念
点云：激光雷达在单位采样时间内获得的位置点信息。
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2.3、激光雷达的发展历程
传统的“雷达” (RADAR，Radio Detection And Ranging)是以微波和毫米波 作 为载波的雷达。
成本高
对于无人车用激光雷达来说，高昂的设备成本是最大的问题。价 格过高的激光雷达，将会不被无人驾驶车辆产业所接受。
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5.7、无人车载激光雷达遇到的挑战
安全性
激光雷达发出去的激光本身是没有编码的，接收器自己本身是 没办法识别到底这束光线是它隔壁发射器发射出去的还是干扰信号。 如果有人恶意模拟车辆、行人的信号，反馈给激光雷达造成周围存 在障碍物假象的攻击手法，最终会导致汽车被强制减速或者刹车。
3.2、激光雷达的分类（从应用上分类）
激光测距仪 激光三维成像雷达 激光测速雷达 激光大气探测雷达 ……
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4
激光雷达的测距原理
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4、激光雷达的测距原理
根据激光遇到障碍物后的折返时间，计算目标与自己的相对距离。
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4、激光雷达测距的基本原理
激光脉冲测距：通过测量激光脉冲在雷达和目标之间来回飞行时间获取目标距离的信息 。
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4、激光雷达的测距原理
激光相位测距 ：通过测量被强度调制的连续波激光信号在雷达与目标之间来回飞行 产生的相位差获得距离信息。
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5
激光雷达在无人车中的应用
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5.1、无人车载激光雷达主要指标
测量距离 测量精度 分辨率
• 垂直分辨率 • 水平分辨率 测量速率
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3.1、激光雷达的基本组成
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3.2、激光雷达的分类（从探测机理上分类）
从探测机理划分，主要有直接探测激光雷达和相干探测激光雷达。 自动驾驶车辆、机器人、测绘用到的激光雷达，基本上属于这种直接探测激
光 雷达。 测风、测速之类的雷达，一般会采用相干探测激光雷达。
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传感器原理及其在无人驾驶车辆中 的应用
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第4讲：激光雷达的原理及应用
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• 1 激光雷达在无人驾驶中的作用 • 2 激光雷达的概念 • 3 激光雷达的组成及分类 • 4 激光雷达的测距原理 • 5 激光雷达在无人车中的应用 • 6 车载激光雷达的发展趋势 • 7 实例分析与演示
单线束 （UTM-30LX）
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5.3、单线激光雷达
单线激光雷达
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5.4、多线激光雷达
多线激光雷达 • 扫描一次可产生多条扫描线 • 4线束、8线束、16线束、32线束、 64线束
多线束 (Velodyne)
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5.4、多线激光雷达
多线激光雷达目前以美国Velodyne公司的HDL-64ES2激光雷达为典型 代表， 它发出多达64个激光束， 全部安装在旋转电机上， 其水平探测 范围360°垂直方向探测范围26.8°。