激光雷达传感器(1)-概述
激光雷达(光探测和测距)激光雷达是一种非接触式的探测和测距方法。这项技术通过测量发射的光脉冲击中附近物体后反射回波信号的特征，精确计算出每个物体的距离。激光雷达传感器可作为点测距系统，实现对目标的测距(一维结果)；测量光束还可以在某一平面上旋转或移动，以获得距离和角度数据，从而提供测量目标的二维结果；还可以用多个传感器组成传感器阵列，同时扫描多个图层，从而测量X、Y、z的点云数据(三维结果)。
激光雷达广泛应用于地形建模(如立体测绘、采矿、林业、考古、地形测量)，近年来，激光雷达还被应用于无人驾驶和消费电子领域。
激光雷达在地形建模中的应用
根据载体的不同，激光雷达系统可分为星载、机载和地面三种模式。
其中星载和机载激光雷达多用于中小比例尺地形测量，如1:50000和1:100000地形图。
机载激光雷达系统采集沿线地面点的三维数据后，可以生成激光雷达数据图像和地面高程模型。在不同的野外条件下，激光雷达系统的平面精度可达0.15-1m，高程精度可达0.1m，间隔可达2-12m。机载激光雷达可用于快速获取大规模林业信息，如树木定位、树高计算等。还可用于矿山领域，快速获取矿山复杂地表和高危区域的空间三维信息，为矿山地形测量和数字矿山建设提供了新的技术手段。
2003年，根据更早的利用星载激光雷达测量极地冰情变化的计划，NASA正式将地学激光高度计纳入对地观测系统，并将其发射到冰体、云量和陆地高度监测卫星上。地面激光雷达适用于对复杂地物进行更精确、高精度的测量，如古建筑的三维城市建模、复杂场馆的测量等。
激光雷达在消费电子中的应用
激光雷达在消费电子中的应用主要分为以下三个部分。
ar应用：借助激光雷达的快速测距特性，设备可以快速进入AR应用环境，减少等待时间；同时，由于激光雷达更精确的测距性能，ar应用的虚实结合可以更真实，提供更好的遮挡性能等等。
摄影的优化：因为可以测量环境的距离，所以可以提高弱光环境下的自动对焦速度。
3D扫描：基于高精度测距，可以呈现细节更好的3D扫描效果。配备激光雷达的智能手机和平板电脑已经成为3D扫描的工具，例如扫描家庭布局以优化家庭装修，或者将扫描的风景应用到社交媒体或新闻报道中。
激光雷达在自动驾驶中的应用
在环境感知中，每种传感器都有独特的优缺点。比如毫米波雷达，可靠性高，可以探测物体的距离和速度，可以全天工作，不受天气影响，但是分辨率不高，无法区分人和物体。摄像头分辨率高，可以识别颜色和字体，有助于检测路标、红绿灯和行人，但受夜晚和强光影响较大；而激光雷达可以提供三维感知信息，具有很强的环境重建能力，可以进行实时定位和高精度的障碍物分类和探测，但受天气环境影响较大。这三种传感器各有优缺点，很难互相替代，缺一不可。随着自动驾驶向更高水平的智能化和自动化发展，汽车中集成的传感器的数量和类型将不断增加。业内普遍认为，“传感器融合”可以显著提高系统的冗余度和容错能力，从而保证决策的快速性和正确性，这是实现高度自动化驾驶安全的关键。
激光雷达传感器(2)-组成
激光雷达(光探测和测距)激光雷达是一种非接触式的探测和测距方法。这项技术通过测量发射的光脉冲击中附近物体后反射回波信号的特征，精确计算出每个物体的距离。它是由以下部件组成的传感器系统：激光器发射特定波长的激光，通过旋转机构快速扫描该区域。反射回来的激光经过空间光谱滤光片滤除环境干扰，最后光信号被光电探测器转换成易于测量的电信号进行检测。
激光雷达通常由以下部分组成
激光(激光)
旋转机构(扫描)
光学滤波器(空间光谱滤波器)
光电探测器(光电探测器)
1.激光
激光器是激光雷达中的激光发射器件。常用的激光器有三种。
激光二极管是一种常用的激光源，它具有紧凑的结构，通常发射905nm的波长。激光测距仪中通常使用激光二极管，但由于其发射能量有限，使用这种激光器的激光雷达的测试范围为几百米。
光纤激光器可以在近红外区域产生1064纳米(Yb)和1550纳米(er)的激光。光纤激光器结构紧凑，发射能量高于激光二极管，达到几百微焦。
Nd:YAG晶体激光器可以同时实现高发射能量(几毫焦耳)和短脉冲时间(纳秒级)，非常适合远距离测量dTOF。最常见的发射频率对应于1064nm的激光波长，频率可以加倍(2倍或3倍)得到532nm波长的激光(可见光)和355nm波长的激光(紫外)。但是这种激光器会比较大，必须有主动散热装置。
技术波长能量接收频率脉冲持续时间激光二极管905nm10几个KHz30-200nsEr光纤激光器1550nm 400几个10kHz 5-100nsyb光纤激光器1064nm200Js。几个10千赫兹5-100纳秒级钕钇铝石榴石1064，532，355纳米60，30，10兆焦耳100赫兹5-10纳秒
激光的选择要根据使用场景，比如用于林业探测的机载激光雷达，发射波长的选择取决于大气透过率和植被反射率；但在水深测绘中通常使用蓝绿色波长的激光，这种波长对水的穿透有利于精确测量。同时需要考虑整个装置的紧凑性、稳定性、发射能量和人眼安全的要求。
在林业测量领域，考虑到能量链路预算(一定发射能量下接收信号的能量)，由于大气的散射率和植物对光的吸收率与波长有很强的相关性，因此近红外波长比紫外波长更有优势。
在激光雷达的使用过程中，阳光或其他热辐射会直接或通过散射进入激光探测器，形成背景噪声。近红外区的环境热辐射比例很低，所以1550nm的激光受背景噪声的干扰最小。
标准EN 60825-1规定了眼睛允许的极限激光辐射，它随波长而变化。当波长在310纳米至400纳米之间，且高于1400纳米时，眼睛所能承受的最大激光辐射较高。
2.旋转机构(扫描)
为了用激光快速扫描大面积，通常需要使用旋转机构来改变激光的测量方向。最终的点云密度与旋转机构的转速和激光的重复频率有关。
不同旋转机构得到的点云扫描轨迹也不同。以机载激光雷达为例，简单的转镜或摆镜无法得到均匀的点云扫描轨迹，而旋转多面镜和两轴镜可以得到均匀的点云扫描轨迹。
3.空间光谱滤波器
因为白天环境光会在整个波长范围内产生背景噪声，通过滤光片可以在空间和波长上滤除背景噪声。
空间滤波器可以精确地将后续激光探测器的视场限制在激光束行进的空间。
光谱滤波器用于限制进入激光探测器的光的带宽，从而滤除背景噪声。光谱滤波器的带宽通常在0.5-10nm的范围内。当入射光不垂直于光谱滤光片时(设置=0为垂直入射)，由于偏斜角的影响，波长会发生偏移，c，=c， * cos。因为能通过滤光片的波长带宽有限，滤光片的入射角也会受到限制，角度限制为=2(/c)； 是滤波器的带宽。比如说；对于1nm带宽的近红外(1064nm)滤光片，入射角的变化只允许在1.5以内。
4.光电探测器
激光探测器探测从目标物体反射的激光脉冲，并将光信号转换成容易测量的电信号。
无论是雪崩光电二极管(探测近红外波长)还是光电倍增管(探测可见光/紫外光)，信号都会被放大器放大(每个入射光子可以产生10-10000个电子)。之所以需要放大器来放大信号，是为了避免过小的模拟信号淹没在后续ADC转换过程的量化噪声中。
光电探测器的选择也会影响激光雷达的空间分辨率，当光电探测器需要较长的探测时间时，空间分辨率会降低。
摘要如下：
关于元件激光器作用的说明在不同的应用场景下会选择不同的激光波长(光在环境中的吸收率与波长有关，环境热辐射的分布与波长有关，人眼能承受的最大激光能量与波长有关)。不同的应用场景会选择不同发射能量的激光器。不同的激光器有不同的尺寸。有些激光器需要主动散热装置，不同激光器的重复频率会影响点云密度。也就是说，空间分辨率扫描完成了整个区域的快速扫描，不同的旋转机构得到的点云扫描轨迹是不一样的。滤镜过滤掉环境带来的背景噪音。光谱滤光片允许的入射角与其带宽有关。光电探测器需要一个放大器对信号进行放大，将反射回来的光信号转换成易于测量的电信号，避免信号在ADC转换过程中淹没在量化噪声中，影响激光雷达的空间分辨率。
激光雷达传感器(3)-原理
激光雷达(光探测和测距)激光雷达是一种非接触式的探测和测距方法。这项技术通过测量发射的光脉冲击中附近物体后反射回波信号的特征，精确计算出每个物体的距离。测距原理可以分为以下三类。
三角测距法
DTOF测距方法
ITOF测距法
1.三角测距法
激光器发射激光，照射在被测物体上后，发射的光被CCD接收。根据光路，不同距离的被测物体会在CCD上的不同位置成像。根据相似三角形公式，可以得到被测物体的距离。
上图中，A为激光，O为被测物体，B为接收镜头，F为接收镜头与CCD的距离，L为发射镜头光轴与接收镜头主光轴的偏差，X为接收CCD上的位置偏差。
距离D=f*(L/X)
三角测距的分辨率可以通过以下公式推导：
当CCD的感应分辨率为x=x1-x2时，测距分辨率为
D=D2-D1=f *(L/X2)-f(L/X1)=f * L(X1-X2)/X1/X2
因为X1和X2之间的差异非常小
Df*L*X/(X^2)
因为D=f*(L/X)，也就是x=f * l/d。
Df*L*X/(X^2)=D^2*X/(fL)
随着距离的增加，测距分辨率以二次指数形式恶化，因此对于长距离测距，三角测距精度较差。所以三角测距的激光雷达往往用百分比来标注标准精度(比如1%，即测量20m距离时最大误差为20cm)。
2.dTOF测距方法
dTOF(直接飞行时间)测距的核心原理是激光器向被测物体发射一束激光，持续时间极短，通过直接测量被测物体的飞行时间，然后返回光电探测器，就可以计算出被测物体的距离。
因为光速非常快，这个s
测距开始时，脉冲驱动电路驱动激光器发出持续时间极长但瞬时功率很高的光脉冲，同时计时单元开始计时；光脉冲由发射电路发出后，到达被测物体表面，向各个方向散射；接收光路接收部分散射光，光信号通过光电器件转换成电信号传输给回波信号处理电路；回波信号处理电路将光电流转换成电压信号，用于触发计时单元停止计时。可以获得激光飞行时间t，从而计算出被测物体的距离：
D=cT/2，c是光速。
dTOF激光雷达的原理是计算飞行时间，时间测量的精度不会随着测量距离的增加或减少而发生明显变化，所以大部分dTOF雷达在几十米的测量范围内都能保持厘米级精度。
DTOF还可以在单次测量时间内发射和接收n次光信号，然后对记录的n次飞行时间进行直方图统计，用频率最高的飞行时间计算出被测物体的距离，从而减少测量误差。
对于dTOF，当测量距离较远时，如果光来回飞行的时间超过了两个连续脉冲之间的间隔，传感器在发射第二个测量信号后会接收到第一个测量信号的反射波，会被误认为是第二个测量信号的短程反射波，这时就会出现相位模糊。在测量远距离物体时，可以减少测量次数，适当增加两次测量的间隔，从而避免相位模糊的问题。但减少测量次数也会降低测量精度，相当于用精度换取有效探测距离。
DTOF不仅需要时钟电路和激光源，还需要回波产生的脉冲信号的精度(普通光电二极管很难满足这样的要求，满足要求的SPAD-signal光雪崩二极管制作工艺复杂)。因此，更多的厂商在研究和推广iTOF。
3.iTOF测距法3.1调幅法
相位激光测距是间接飞行时间测距中的一种常用方法。
相位测距是对发射的连续激光进行幅度调制(调制光的强度随时间周期性变化)。被测物体发射后，激光产生相变。根据相位差可以间接测量时间和距离，与dTOF相比降低了器件要求和信号处理的难度。
在检测到接收波和发射波之间的相位变化之后，可以获得被测物体的距离d。
D=*C*T/2
光速
t:调制信号的周期时间
在实际的单频测量中，只能分辨出相位小于2的部分，而无法获得超过一个周期的测距值。因此，测量时需要根据最大测量范围选择调制频率。例如，当选择用于调制的信号频率是100KHz时，相应的测量范围是1500m m.
当所设计系统的相位测量分辨率一定时，距离分辨率 d= * c * t/2，即频率越大，距离分辨率越高。因此，在单一调制频率下，大范围和高精度不能同时满足。
低频调制对应长距离测量，但精度差；对于高频调制，对应的是短程测量，精度不错。因此，高低频复用可用于长距离检测，获得更好的精度。如下图所示，可以用几种不同的调制频率来确认哪个距离是真实距离。这样，考虑到测量距离和测量精度的要求，具有低调制频率的部分可以提供无模糊的距离估计，而具有高调制频率的部分可以提供更高的精度。
由于相位测距发射的激光是连续波，其平均功率远低于脉冲激光的峰值功率，因此无法探测远距离目标。通常适用于短距离和中距离的测量，测量精度可达毫米和微米级
相位激光测距的精度主要取决于相位测量的精度。目前相位测量主要基于数字DSP，即不通过FFT(傅里叶变换)识别两端信号的相位，可以充分抑制噪声的影响，提高相位测量的精度。
3.2调频方法
除了调幅(AMCW)激光雷达之外，调频(FMCW)激光雷达也经常用于测量汽车领域的距离和速度。
下图显示了调频连续波雷达。第一个是时域信号，第二个是频率信号。可以看出，调频信号的频率与信号的持续时间Tc成线性关系，所以这种调频连续波也称为LFMCW。
上图中，B为带宽(带宽：信号连续频段内最高频率与最低频率之差)，Tc为信号持续时间，S为信号斜率(S=B/Tc)。
调频激光雷达的基本原理如下图所示。发射信号与回波信号的频率差称为IF(中频(IF)，其中IF信号为直线，表示频率单一，测量目标距离不同，返回时间不同，所以IF信号的电平不同。所以可以说距离与中频信号成正比。
测量的距离d可以通过下面的公式计算
D=c*/2
中频信号的频率fc=S*=B*/Tc。
也就是
D=fc*c*Tc/2B
其中c为光速，fc为中频信号频率，Tc为信号持续时间，b为带宽。
由于中频信号仍然是模拟信号，需要通过ADC转换成数字信号，送入处理器进行计算。由于ADC的采样频率有限，中频带宽将受到ADC采样频率的限制。公式D=fc*c*Tc/2B表明，在ADC采样率不变(最大中频信号频率不变)的情况下，FM激光雷达的探测距离与发射信号的斜率成反比，在发射周期不变的情况下，探测距离与发射信号的带宽成反比。
激光雷达需要有能力区分两个非常接近的目标。例如，当雷达的距离分辨率为4m时，它无法区分相距1m的行人和汽车。
假设雷达探测到两个相距很近的目标，将两个回波信号与发射波形混合得到两个中频信号。两个中频信号之间的时间t差非常小，因此中频信号的频率差非常小。
时域信号可以通过傅立叶变换转换成频率信号，从而获得中频信号的频率。如下图A所示，如果激光雷达的频率分辨率较差，即两个目标的频率信息难以区分，则无法区分两个相似的目标；如下图B所示，如果可以区分两个对象，则可以在频率信息中看到两个分离的频率峰值。
根据傅里叶变换的频率分辨率公式，频率分辨率
f=fs/N=1/(Nts)=1/T
其中fs为采样频率，n为采样点数，ts为采样间隔，fs=1/ts，Nts为采样前模拟信号的时间长度t，因此信号长度越长，频率分辨率越好。
FMWC激光雷达的采样时间是Tc，即
fc1/Tc
fc=2bD/(c * Tc)
即：
2bD/(c * Tc)1/Tc
Dc/2B
因此，FMWC激光雷达的距离分辨率取决于发射信号的带宽，带宽越大，距离分辨率越大。在带宽相同的情况下，无论信号持续时间如何变化，激光雷达的距离分辨率都不会受到影响。
总结如下
审核编辑黄浩宇
标签：激光雷达信号激光