单线激光雷达定位_激光探地雷达

文章导读:

• 1、激光雷达测距原理
• 2、激光雷达的分类
• 3、激光雷达的类型有？
• 4、单线激光雷达有三角法和TOF之分吗？各自都是什么意思？

激光雷达测距原理

激光雷达测距的原理是什么？

激光雷达测距的基本原理是通过测量激光发射信号和激光回波信号的往返时间来计算目标的距离。首先，激光雷达发射激光束，该激光束在被障碍物击中后被反射回来并被激光接收系统接收和处理，以知道激光器发射和反射回来和接收的时间之间的时间，即飞行激光的时间。根据飞行时间，可以计算障碍物的距离。根据发射的激光信号的不同形式，激光测距方法可分为两种类型：脉冲法激光测距和相位法激光测距。

（1）脉冲方法激光测距：脉冲方法是在激光雷达发射激光束后，一部分激光被反射回障碍物，并被激光雷达的接收器接收。同时，可以在激光雷达内记录发送和接收之间的时间间隔，并且可以根据光速计算要测量的距离。

（2）相位法激光测距：相位法是由激光发射器进行强度调制的连续激光信号。在被障碍物照射后，它被反射回来。测量光束将在往返行程中产生相位变化。通过计算雷达中的激光信号和障碍物来回飞行的物体之间的相位差以及障碍物的距离被转换。

2.有哪些类型的激光雷达？

根据是否有机械旋转部件，激光雷达可分为机械激光雷达，固态激光雷达和混合固态激光雷达。 （1）机械激光雷达：机械激光雷达具有控制激光发射角度的旋转部件。它体积大，价格昂贵，并且具有相对较高的测量精度，并且通常放置在汽车的顶部。

（2）固态激光雷达：固态激光雷达依靠电子元件来控制激光发射角度。它不需要机械旋转部件，因此尺寸小，可以安装在车身中。

（3）混合固态激光雷达：混合固态激光雷达不具有大容量旋转结构，通过旋转内玻璃片实现固定激光光源改变激光束方向需要多角度检测，并采用嵌入式安装。

根据线束的数量，激光雷达可分为单线激光雷达和多线激光雷达。

（1）单光束激光雷达扫描一次只产生一条扫描线，获得的数据是2D数据，因此无法区分目标物体的3D信息。然而，由于其测量速度快，数据处理能力低，单线激光雷达被用于安全防护，地形测绘等领域。

（2）多线激光雷达一次可以产生多条扫描线。目前，市场上的多线激光雷达产品包括4线束，8线束，16线束，32线束，64线束等。适用于2.5D激光雷达和3D激光雷达。 2.5D激光雷达和3D激光雷达之间的最大区别在于激光雷达是垂直的。

激光雷达的分类

激光雷达按工作方式可分为脉冲激光雷达和连续波激光雷达，根据探测技术的不同，可以分为：直接探测型激光雷达和相干探测型激光雷达，按应用范围可分为：靶场测量激光雷达（武器实验测量）火控激光雷达（控制射击武器自动实施瞄准与发射）跟踪识别激光雷达（制导、侦查、预警、水下目标探测），激光雷达引导（航天器交汇对接、障碍物回避）、大气测量激光雷达（云层高度、大气能见度、风速、大气中物质的成分和含量）。激光雷达的主要应用于跟踪，成像制导，三维视觉系统，测风，大气环境监测，主动遥感等方向

激光雷达的类型有？

1、线数划分

①单线激光雷达：

单线激光雷达只能完成平面扫描，其扫描速度快、分辨率和可靠性高，目前主要应用于服务机器人等对高度信息要求不高，需要规避障碍物的场景。

②多线激光雷达：

多线激光雷达可识别物体的高度信息（可理解为竖直方向的积分），目前业界以4~128线为主，造价昂贵，主要用于无人车自动驾驶等领域。

2、扫描方式划分

激光雷达按扫描方式大体可以分为三种类型，机械式、固态式和混合固态式。目前机械式最为常用，固态式为未来业界大力发展方向（固态指激光雷达为单个整体，没有需要旋转和可动扫描部件）；混合式是机械式和纯固态式的折中方案（较机械式只扫描前方一定角度内的范围；较纯固态式仍有一些较小的活动部件），是目前阶段量产装车的主流产品。

①机械旋转式激光雷达：

业界多为此种方案。发射系统和接收系统存在物理意义上的转动，不断的旋转发射器，将激光点变成线，并在竖直方向上排布多束激光发射器形成面，实现3D扫描的目标。但内部结构复杂，主要包括激光器、扫描器、光电探测器以及位置和导航器件。由于通过复杂的机械结构实现高频准确的转动，硬件成本高，且很难保持长时间稳定运行，业界寿命多为2~3万小时（正常使用约2~3年），因此目前固态激光雷达成为很多公司的研究方向。

②微转镜激光雷达（混合固态）：

转镜类似于机械式，保持收发模块不动，通过电机带动转镜运动，将激光反射到不同的方向实现一定范围内激光的扫描。目前转镜式激光雷达方案较成熟、易过车规，是目前自动驾驶上应用的比较多的方案，相比纯机械式，机械结构简单，体积相对较小，易于量产。

③MEMS激光雷达（混合固态）：

MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）采用微振镜扫描，在微观上实现激光雷达发射端的光束操纵。MEMS微振镜是一种硅基半导体元器件，技术成熟，集成度高，它的引入可以帮助激光雷达减少马达、多棱镜等机械运动装置，减小尺寸空间，同时还可以减少激光器和探测器数量，极大地降低成本。但是其尺寸较小，限制了扫描范围和视场角，且稳定性较低，过车规难度较大，目前量产一致性较低。

④泛光面阵式激光雷达（Flash，固态）：

泛光面阵式是目前全固态激光雷达中较为成熟的技术（快闪，原理类似相机），它可以短时间直接发出一大片覆盖探测区域的激光，以高灵敏度的接收器来完成周围环境的绘制，能快速记录整个场景，避免了扫描过程中雷达或目标的移动带来的影响。但是由于每次发射的光线会散布在整个视场内，这意味着只有小部分激光会投射到某些特定点，很难进行远距离探测。

⑤光学相控式激光雷达（OPA，固态）：

相控阵激光雷达采用多个光源组成阵列，通过控制各光源发光时间差（相对相位），合成具有特定方向的主光束，加以控制便可实现不同方向的扫描。光学相控阵要求单元尺寸不大于半个波长，目前激光雷达的工作波长均在1000nm左右，故阵列单元的尺寸不得大于500nm，加工难度较大。

单线激光雷达有三角法和TOF之分吗？各自都是什么意思？

单线激光雷达分为两类，一类是TOF（Time of Flight，时间飞行法）雷达，另一类是三角测距法雷达。

1.三角法的原理属于激光器发射激光，在照射到物体后，反射光由线性CCD接收，因为激光器和探测器间隔着一段距离，所以根据光学路径，不同距离的物体将会成像在CCD上不同的位置。按照三角公式进行计算，就能推导出被测物体的距离。

2.TOF的原理是激光器发射一个激光脉冲，并由计时器记录下来出射的时间，回返光经接收器接收，并通过计时器记录下回返的时间。两个时间相减就可以得到光的“飞行时间”，而光速是必须的的，因此在已知速度和时间后就特别容易就可以计算出距离。三角法本身受方案限制，性能上还是比不上TOF的激光雷达。

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