系列文章目錄

第一章 激光雷達介紹
第二章 脈沖型激光雷達
第三章 FMCW激光雷達
第四章 AMCW 激光雷達
第五章 激光雷達在自動駕駛中的安全問題

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文章目錄

• 系列文章目錄
• 前言
• 一、LiDAR工作過程
• 二、LiDAR分類
• 二、重要的LiDAR參數(shù)
• • 1. 測距量程（Maximum Range)
  • 2. 測距精度（Range Precision)和距離分辨率（Range Resolution)
  • 3. 視場角和分辨率（FoV and Lateral Resolution)
  • 市面LiDAR參數(shù)調(diào)研
• 總結(jié)
• 參考文獻

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前言

3D成像技術(shù)應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，包括自動駕駛汽車、無人機和機器人，以及在先進的工業(yè)、醫(yī)療、科學(xué)、和消費市場。 3D 成像通常通過對目標物體的距離測量來生成環(huán)境點云，從而感知整個環(huán)境。可以使用不同的方法進行距離測量，包括雙目相機（stero camera），超聲波雷達（ultrasonic ），射頻雷達（俗稱Radar），以及本系列文章要著重介紹的激光雷達LiDAR（Light Detection And Ranging)。雙目相機依賴對2D圖片的處理來測距；超聲波雷達能直接測距，但由于聲波在空氣中的衰減大，測距距離往往只有幾米；Radar用射頻信號（波長毫米級）測距，LiDAR用光波（波長在1微米左右）測距，兩者本質(zhì)上都是電磁波，但光波的波長更短，能夠以更高的分辨率來成像，且激光的指向性更強，無疑是一種優(yōu)秀的3D點云成像方式，這也是本系列文章想要介紹激光雷達的原因。

本系列文章預(yù)計會持續(xù)更新。

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一、LiDAR工作過程

"High Level"的LiDAR工作過程非常簡單，就是每秒百萬次的測距過程。Velodyne公司¹的描述簡潔明了，我將其翻譯并截圖如上，雖然這是對脈沖型LiDAR的工作過程解釋，但其他種類的LiDAR（除FLASH LiDAR外) 工作過程也大同小異。

基本的LiDAR組件如上圖 ² 所示，激光調(diào)制電路調(diào)制出射光的強度/頻率/相位，光束操控（beam steering）電路控制出射光的方向以完成掃描，接收裝置通常是一個光電傳感器，收到回波信號后將其傳送給信號處理電路進行信號的濾波、放大、計算等。

二、LiDAR分類

目前市面上的激光雷達按照光束操控電路或光束掃描結(jié)構(gòu)來分，一般會分為機械旋轉(zhuǎn)式，半機械旋轉(zhuǎn)式（如MEMS、棱鏡），純固態(tài)（如OPA、FLASH、FPSA³）。

例如上圖是我用過的LiDAR，其中VLP-16和RS-16是機械旋轉(zhuǎn)式，RS-M1是MEMS。純固態(tài)LiDAR雖然velodyne和quanergy的官網(wǎng)都有介紹，目前中國的小鵬和華為極狐車上也有搭載，但個人用戶似乎沒有購買渠道。

根據(jù)掃描結(jié)構(gòu)來分類是自然且直觀的，但僅知道這一種分類方式對LiDAR的了解是不夠全面的。為了幫助讀者對激光雷達的工作原理有更深入的理解，本系列根據(jù)LiDAR的測距原理以及激光波形來分類，將LiDAR分為脈沖型（pulsed），調(diào)頻連續(xù)波（FMCW），調(diào)幅連續(xù)波（AMCW)。

二、重要的LiDAR參數(shù)

在LiDAR選型和設(shè)計時，我們需要關(guān)注的LiDAR參數(shù)有測距量程，軸向精度，分辨率，視場角。

1. 測距量程（Maximum Range)

最大測距范圍通常受到發(fā)射功率和接收器靈敏度的限制。為了保證人眼的安全，最大發(fā)射功率有一個限制。工業(yè)上，可以通過減小光束發(fā)散角及其旁瓣來提高工作范圍。
在FMCW激光雷達類型中，激光束的相位噪聲也會限制量程。
在所有激光雷達類型中，較大的接收孔徑可以增加收集的光功率進而增加量程。

2. 測距精度（Range Precision)和距離分辨率（Range Resolution)

測距精度通常指對于固定距離目標的多個距離測量的標準差（記為${\delta }_R$)。

在文獻⁴中，特地引出了距離分辨率（range resolution，記為$\delta R$）的概念，并強調(diào)不要把測距精度和距離分辨率搞混。距離分辨率指LiDAR區(qū)分軸向多個距離相近的空間物體的能力。距離分辨率可由如下式子表示：
$$\delta R=\frac{c}{2B}$$
其中$c$是光速，$B$是光波“攜帶信息”的帶寬（原話是$B$ is the bandwidth of the information they carry）。射頻信號的帶寬往往是MHz百級別，所以能達到厘米級的分辨率；而光波信號的帶寬大得多，能夠達到微米級的分辨率。
雖然測距精度和距離分辨率是兩個概念，但他們之間也存在關(guān)系。
文獻中用如下式子表示：
$${\delta }_R^2\propto \frac{\delta R^2}{SNR}$$
其中$SNR$是接收到的信號的信噪比。

按我的理解以及工程實踐，距離分辨率是一個理論概念，距離誤差是一個工程統(tǒng)計上的概念。帶寬$B$可以等效為信號處理電路的采樣率，采樣率越高，距離分辨率也就越高。信噪比越高，測距也能越準。

3. 視場角和分辨率（FoV and Lateral Resolution)

機械旋轉(zhuǎn)式LiDAR的視場角（FoV，Fied of View）往往是水平角*豎直角 = 360° * X 其中X和豎直方向的激光線束排布有關(guān)。由于LiDAR的掃描周期是固定的，水平方向的分辨率與LiDAR的轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速越快則水平分辨率越低。豎直方向的分辨率則是出廠設(shè)定好的。
半固態(tài)和固態(tài)相機的FoV和分辨率一般出廠就設(shè)定好了，無法人為更改。

市面LiDAR參數(shù)調(diào)研

本文附贈市面上三十幾款LiDAR的基本參數(shù)匯總報告，大致內(nèi)容如下圖所示，點擊該鏈接可以下載。覺得有用的請點個贊哦！

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總結(jié)

在書寫過程中，發(fā)現(xiàn)LiDAR雖然依然還是一個新興產(chǎn)業(yè)，但其結(jié)構(gòu)及工作原理有比較清晰的發(fā)展脈絡(luò)可以總結(jié)。尤其是工作原理的部分，得益于Radar的發(fā)展，LiDAR能夠借鑒Radar中的許多信號調(diào)制技術(shù)，包括脈沖、AMCW和FMCW，在下面幾篇文章中，我介紹這些技術(shù)。

參考文獻

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Velodyne Inc. https://velodynelidar.com/what-is-lidar/ ??

Behroozpour B, Sandborn P A M, Wu M C, et al. Lidar system architectures and circuits[J]. IEEE Communications Magazine, 2017, 55(10): 135-142. ??

Zhang X, Kwon K, Henriksson J, et al. A large-scale microelectromechanical-systems-based silicon photonics LiDAR[J]. Nature, 2022, 603(7900): 253-258. ??

P. M. Woodward, Probability and Information Theory, with
Applications to Radar, Pergamon Press, 1953. ??

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的激光雷达科普（1）：激光雷达的分类及重要参数的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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