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激光雷达全面分析总共四篇，本文为基础篇，包含雷达相关知识，激光雷达的介绍，工作原理，核心部件，技术指标。第二篇为技术篇，之后两篇是市场篇以及产业篇，欢迎关注。
, S8 ~- z; `& {! b" Z 1. 原理简单，毫米波/激光/超声波% J0 S/ }3 b! u' u
介绍激光雷达之前，先了解雷达。 # A; R: n# {6 ]
雷达，是英文“Radar”的音译，英文全称为Radio Detection and Ranging，即无线电探测和测距。
, d C) R" m5 `( {4 n( e 雷达向目标发射无线电波，通过发送信号与目标反射信号进行对比，来获得目标至发射点距离、距离变化率、方位、高度以及角度等信息。 $ K# G% {2 @3 B7 r2 m2 u* r
按照发射电波的频率或波长，雷达主要有以下应用：
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雷达发明于19世纪，直到20世纪30年代初才开始流行，在二战时期声名鹊起。 * s2 l. V7 Q( I5 k0 \0 V& y
1938年，盟军在英国泰晤士河口布置了200公里长的雷达网，给希特勒造成极大的威胁。随后，英国海军又将雷达安装在军舰上，在海战中发挥了重要作用。 $ D. Q" T+ N8 I e# v" D" \
+ `% ?( }! F& T$ o 雷达不仅运用在军事上，还可用于探测天气，海洋测绘，民用飞机航空管制，查找地下20米深处的古墓等。
, L; @3 Q! s' W/ Q( ~1 {& R 虽然各种雷达的用途和结构不尽相同，但基本构造是一样的，简单来说都包括：发射器、接收器机和处理器。
+ J L0 B- j+ V5 ~* g( n x 雷达发射无线电波，事实上，不论无线电波，还是我们平时看到的可见光，在本质上都是电磁波，在真空中传播的速度都是光速。
) q+ [/ s7 p* e8 v2 r- L7 d 下图为电磁波图谱：
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根据公式：光速= 波长 * 频率，频率越高，波长越短。波长越短，意味着分辨率越高；而分辨率越高，意味着在距离、速度、角度上的测量精度更高。 6 }0 |8 D0 d9 V8 H
目前应用于汽车无人驾驶的雷达主要有三种： ; K: l3 s5 w; e
1. 介于微波和红外线之间，频率范围10GHz—200GHz，波长为毫米级，毫米波雷达； 5 @2 N' R9 j# p& ^' a
2. 介于红外线和可见光之间，频率大致为10^14Hz（100000GHz），波长为纳米级，本文的主角——激光雷达； " N; o4 k4 Q' Y: b1 `
3. 频率高于20000Hz的超声波雷达； * z8 N% X* e. ~
需要指出的是，毫米波和激光属于电磁波一种，是电磁场的一种运动形态；而超声波属于声波，是物体机械振动状态的传播，超声波振动频率大于20000Hz，一般人耳听不到。
7 h5 `3 B3 \) O. r/ C k3 { 无论是普通雷达，激光雷达，毫米波雷达，或者超声波雷达，其工作原理都是一样的，发出信号，测量从物体反射回来的时间，由于光速恒定，因此可以通过测量时间来计算距离。这一物理学基础在过去一个世纪中并没有改变。
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2. 最大优势：三维点云建模; m, S) u: x! x [" B- o) i
了解了雷达之后，开始介绍激光雷达。 8 f. `+ ?! z# a3 a
激光雷达（英文Lidar），英文全称为Laser Detecting and Ranging，即激光探测和测距。 4 i) x6 {2 E- v: A0 r8 y0 ~$ ^
与雷达工作原理类似，激光雷达通过发射和接收激光束。 ; _' Z. J2 R% v/ J, P' d% D7 q
通过测量激光信号的时间差和相位差来确定距离，通过水平旋转扫描来测角度，并根据这两个参数建立二维的极坐标系，再通过获取不同俯仰角度信号获得三维中的高度信息。
/ r X# s, Y B2 Q! U1 k 高频激光可在一秒内获取大量（约150万个）的位置点信息（称为点云），并根据这些信息进行三维建模。
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除了获得位置信息外，激光信号的反射率可以区分目标物质的不同材质。激光雷达的维度（线束）越多，测量精度越高。 ' ?8 n% B" }1 m+ D% V7 y4 A
由于激光频率高，波长短，所以可以获得极高的角度、距离和速度分辨率。 5 T, l; ]( z! J/ L0 _, h
距离和速度分辨率高，意味着可以利用多谱勒成像技术，创建出目标清晰的3D图像，这就是激光雷达最大的优势。
/ ?* l1 ~) k# ]( y" s1 _ 在激光问世的第二年（1961年），就有人提出了激光雷达的设想，在1971年阿波罗15号任务中，美国宇航员使用激光高度计来绘制月球表面，让人们认识到激光雷达的准确性和实用性，得到了广泛的关注。 7 D+ s& Y" Q, p) m; D3 d
世界第一款汽车用激光雷达是美国Velodyne公司生产的64线激光雷达，首次亮相于2005年无人驾驶挑战赛。
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3. 工作原理和组成：四大系统，八个指标% q. q# S1 Y) D# Z6 ]- C
激光雷达 = 激光发射+激光接收+信息处理+扫描系统 , J; F: m* m' P2 W. Z% B
下图所示为激光雷达系统组成： + i) R. Y# k7 P, [
- k- A" {% M, A, D9 F0 W 激光发射系统：激励源周期性地驱动激光器，发射激光脉冲，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； 1 W$ u" O$ h: `3 v/ n5 L& l+ t
激光接收系统：经接收光学系统，光电探测器接受目标物体反射回来的激光，产生接收信号；
' U8 a8 M9 u. V, c/ @2 j 信息处理系统：接收信号经过放大处理和数模转换，经由信息处理模块计算，获取目标表面形态、物理属性等特性，最终建立物体模型。 9 _, _9 L' {- d* x" K+ {4 G
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 Y" z9 T( a$ H U7 H1 a$ K! f2 m 下面放一张动图，更加形象生动：
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下图为激光雷达的核心器件，除了光学镜片之外，大部分都为电子元器件。
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/ @ \. E# f, Z% i 激光雷达实物具体什么样？1 ~$ {" F ^( n! s
下图为Velodyne公司的64线激光雷达HDL_64E。
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, U2 ~) z( i0 @! ?% U0 B$ R7 c 该雷达前端上下分布有四组激光发射器（每组16个发射机，共64个）和两组激光接受器（每组32个激光接收机，对应64个）。 5 V7 { Y( b* v
在电路的控制下，发射机和接收机按照时间顺序轮流工作，在水平和俯仰方向形成光学扫描。
% c. @% F7 T* _* `1 W5 I/ J3 J: y 一般来说，用以下八个技术指标来评价激光雷达： 最大辐射功率：决定是否需要防护水平视场：是否360度全视角旋转垂直视场：俯仰角角度（30度/15度）光源波长：光学参数（纳米级别）测量距离：是否满足长距离探测（200米）测量时间和帧频率：激光返回一圈的时间纵向和水平分辨率：对算法影响大，精度越高越贵测距精度：厘米级, w3 ]2 |2 V" g
（下一篇技术篇，包括激光雷达的分类，关键技术以及主要挑战，敬请期待） ~# ?+ g6 V! Q/ T) j' {# B" X5 k$ z
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