激光雷达的界说
激光雷达最早的界说是 LIDAR，英文为 Light DeteaTIon and Ranging，中文意思是「光的勘探和测距」。
其实更精确的一个界说是 LADAR：LAser DetecTIon and Ranging，即「激光的勘探和测距」。这是在 2004 年提出的界说，更契合激光雷达的概念。
激光雷达实际上是一种作业在光学波段（特别波段）的雷达，它的长处十分显着：
1、具有极高的分辨率：激光雷达作业于光学波段，频率比微波高2～3个数量级以上，因而，与微波雷达比较，激光雷达具有极高的间隔分辨率、角分辨率和速度分辨率；
2、抗搅扰才能强：激光波长短，可发射发散角十分小（μrad量级）的激光束，多路径效应小（不会构成定向发射，与微波或许毫米波发生多路径效应），可勘探低空／超低空方针；
3、获取的信息量丰厚：可直接获取方针的间隔、视点、反射强度、速度等信息，生成方针多维度图画；
4、可全地利作业：激光主动勘探，不依赖于外界光照条件或方针自身的辐射特性。它只需发射自己的激光束，经过勘探发射激光束的回波信号来获取方针信息。
可是激光雷达最大的缺陷——简略遭到大气条件以及作业环境的烟尘的影响，要完成全天候的作业环境是十分困难的作业。
激光雷达分类
激光雷达的分类，假如从体系上区别，首要有直接勘探激光雷达和相干勘探激光雷达。实际上，现在咱们说到的，包含主动驾驭、机器人、测绘用到的激光雷达，根本上归于这种直接勘探类型的激光雷达。有比较特别的，比方测风、测速之类的雷达，一般会选用相干体系。
按运用分类，咱们能够分得更多，比方：激光测距仪、激光三维成像雷达、激光测速雷达、激光大气勘探雷达，等等。
不管是单线激光雷达、多线激光雷达或测绘激光雷达，咱们根本上能够将其区别到激光三维成像雷达的范畴。
一个激光三维成像雷达，实际上它需求得到两个中心信息：方针间隔信息以及方针视点信息。
假如咱们把它的三维坐标精确定下来，咱们需求得到它的间隔、方位角、俯仰角信息。然后咱们依据间隔、方位视点、俯仰视点三个信息，将方针的三维坐标点计算出来。
一般来说，经过对编码器进行丈量来获取视点信息的技能很老练。咱们更关怀的是，激光雷达的间隔信息是怎样获取的。
激光三维成像雷达能够经过直接测距、直接测角的技能得到方针的三维点云数据，并且取得的数据自身便是三维数据，不需求经过许多运算和处理才生成方针三维图画，并且激光测距有十分高的精度。
所以，激光三维成像雷达是现在能获取大范围三维场景图画功率最高的传感器，也是现在能获取三维场景精度最高的传感器。
激光测距办法
现在，咱们一般能见到的测距办法，从大类上能够分为：激光飞翔时刻（TIme of Fly，TOF）法以及三角法。
激光飞翔时刻法能够分为两类，一类是脉冲调制（脉冲测距技能），一类是对激光接连波进行强度的调制，经过相位差来丈量间隔信息的相位测距。
咱们能在市面上见到的测距仪，或许说单线、多线激光雷达，根本上都是选用这三类测距办法。
激光脉冲测距技能
激光脉冲测距技能的原理十分简略：经过丈量激光脉冲在雷达和方针之间来回飞翔时刻获取方针间隔的信息。这儿用了一个基准，便是光的速度。一切的丈量都有必要有一个基准，关于一束激光来说有两个基准：速度和频率（两个最准的基准），因为 TOF 用的基准便是激光的飞翔速度。
上述说到的三种测距办法，我以为技能难点最大的是脉冲测距的办法。但它带来的长处十分显着：丈量速度十分快。因为经过高峰值的激光来进行丈量，其抗强光的搅扰才能十分强。
缺陷是测距分辨率提高难度高，勘探电路难度大。举个比方，假如要做到相位测距 1．5 个毫米的分辨率，咱们就需求把计时时钟分辨率做到 10 个皮秒，也就相当于 100G 带宽，这是一个十分难的技能。
激光相位测距
激光相位测距，比方说常见的手持式激光测距仪，选用的便是相位测距的办法来完成。它首要经过丈量被强度调制的接连波激光信号在雷达与方针之间来回飞翔发生的相位差取得间隔信息。
这种技能最大的长处：测距分辨率十分高，现在一般市面上的相位测距仪都能够到达毫米量级分辨率。
缺陷是丈量速度比脉冲测距慢，究竟咱们把一个相位差测准，至少要做上几十乃至上百个周期，实际上就相当于把它的丈量时刻变相拉长，那么它的丈量速度相对来说比较低。此外，它的丈量精度比较简略遭到方针形状运动影响。假如在丈量的光斑里，两个方针一前一后，实际上它测出来的详细信息，是这两个方针间隔的一个均匀值，而不是前一个方针信息或后一个方针信息。
但在脉冲测距里，就很简略将这样的信息分隔。比方，一个激光脉冲，假如咱们能够把脉冲宽度做到 10 个纳秒，那么咱们就能够把一个方针前后相距三十厘米的方针，经过屡次回波的办法将其区别出来。
这种办法在相位测距里就很难把它区别出来。因为在丈量过程中，它的时刻会比较长，方针运动带进来的间隔信息，把它引进到丈量值里，实际上它测的是一个均匀间隔信息，而不是实时信息。可是激光脉冲测距，实际上是其时方位实时的信息。
这也是为什么车用或机器人用的激光雷达往往会选用激光脉冲的测距技能，而不选用相位测距技能。
三角法测距
三角法测距便是经过丈量激光照耀点在相机中的成像方位取得间隔信息。三角法测距最大的有长处便是技能难度低，本钱也很低，在近间隔测距精度也很高。比方工业用能够做到百微米测距精度。
但缺陷是，它的精度会跟着间隔的添加逐步变差，根本上无法与脉冲测距以及相位测距比较。
别的一点，因为 CMOS 相机有必要要用一个接连的激光同步进行照明，它的均匀功率相对来说比较低，抗搅扰才能会十分强，这种测距办法一般合适室内近间隔作业，而不合适在户外强光布景或许室内强光布景下作业。
三角法测距比较合适用于机器人等对功用要求不高的场景。
从上图咱们能够看出，脉冲测距除了本钱和技能难度比较大以外，它在其他各方面的功用都比较优异。当然，它的测距精度会比相位测距精度略低一些。可是这种精度，按现在的技能，咱们根本上能够到达厘米量级，乃至是几个毫米量级的测距精度，根本上能满意咱们多场合的运用要求。
咱们首要的方向便是用脉冲测距的办法来做单线雷达，包含多线雷达。
什么是单线激光雷达
现在单线激光雷达产品，首要有 SICK 公司和 HOKUYO 公司。
单线激光雷达，实际上是一个高同频脉冲激光测距仪，加上一个一维旋转扫描。单线激光雷达的特色：
1、只要一路发射和一路接纳，结构相对简略，运用方便；
2、扫描速度高、视点分辨率高；
3、体积、分量和功耗低；
4、可靠性更高；
5、本钱低；
单线激光雷达精干什么？
在主动驾驭范畴，咱们根本上看到的都是多线激光雷达，单线激光雷到达底精干什么？
如上图，美国 DARPA 主动驾驭挑战赛里的参赛车，榜首个是 2005 年斯坦福大学姓名叫做 Stanly 的参赛车，这是当年取得冠军的参赛车。另一个是卡耐基梅隆大学的参赛车。
其时他们用的根本上是 S%&&&&&%K 公司的单线激光雷达。特别是斯坦福大学的参赛车，光是上方就装了五个激光雷达，咱们能够以为它是多线激光雷达的“开山祖师”，只不过它是用了五个单线激光雷达来完成多线激光雷达的功用。
2007 年 Velodyne 推出 64 线激光雷达今后，许多主动驾驭车辆根本上选用了 Velodyne 的产品。但这是不是便是阐明，单线激光雷达在辅佐或许主动驾驭里没有商场？
我以为不是。因为单线激光雷达有它的特色，比方说，在高重复频率、高视点分辨率上，多线激光雷达很难到达相同的技能指标。
在行人勘探、障碍物勘探（小方针勘探）以及前方障碍物勘探等方面上，单线激光比多线激光雷达有优势得多，因为单线激光雷达的角分辨率能够做得比多线激光雷达高，这一点在勘探小物体或许行人里十分有用。
这个技能在现在智能机器人、服务机器人上十分有用，并且现在这一块也是比较热的范畴。
或许许多人会问一个问题，为什么要用激光雷达来做车道检测而不必相机，ADAS 算法不是十分老练吗，为什么非得用激光雷达？
这是因为相机特别简略遭到布景光或许强光的搅扰。比方，咱们在林荫大道行走的时分，假如树荫落下斑斑点点的阳光，再结合白色车道线，咱们十分难把车道线辨认出来，并且辨认概率在杂乱的光照或许在强光照耀条件下，它的辨认概率十分十分低，算法也十分杂乱。
那么，用激光雷达来做车道检测有什么优点？榜首，咱们用的是红外激光，这种激光自身在红外波段的辐射比可见光要低得多。第二，咱们会加一个十分窄的滤光片，把强布景光直接滤除。然后咱们再用红外光对它进行勘探。这样咱们就能取得一张十分高质量的车道线图画，经过图画的灰度，就能十分简略把车道线检测出来。换句话说，用激光雷达来做车道线检测，它的功用会比相机要高。
单线激光雷达在辅佐驾驭里的运用是行人勘探，实际上这也是一个前向防磕碰的运用，与轿车防磕碰根本相似。因为单线激光雷达的角分辨率能够做到比多线激光雷达高，可在更远的间隔提早发现行人，为操控系统或驾驭员留出更多的预警时刻。
ACC（Stop＆Go）的运用。这个功用在现在我国城市交通拥堵的情况下特别适用，它是经过前向激光雷达直接勘探到前面的轿车运动来取得前车的精确间隔信息，然后经过操控轿车主动进行跟从。
