无人车与激光雷达

无人车与激光雷达

激光雷达简介激光雷达原理无人车介绍结束语1234

1、激光雷达简介

(1)起源与发展“雷达”(RADAR-RadioDetectionAndRanging)。传统的雷达是以微波和毫米波作为载波的雷达，大约出现1935年左右。最早公开报道提出激光雷达的概念是:1967年美国国际和电报公司提出的，主要用于航天飞行器交会对接，并研制出原理样机;1978年美国国家航天局马歇尔航天中心研制成CO2相干激光雷达.图1.1雷达图1.2雷达显示屏幕

(1)起源与发展激光雷达(LADAR-LaserDetectionAndRanging)是以激光作为载波的雷达，以光电探测器为接收器件，以光学望远镜为天线的雷达。早期，人们还叫过光雷达(LIDAR-LightDetectionAndRanging)，这里所谓的光实际上是指激光。以后世界上陆续提出并实现：激光多普勒雷达、激光测风雷达、激光成像雷达、激光差分吸收雷达、拉曼散射激光雷达、微脉冲激光雷达、激光合成孔径雷达、激光相控阵雷达等。图1.3单线激光雷达图1.4多线激光雷达

(2)激光雷达与微波雷达的异同点激光雷达是以激光器为辐射源的雷达，它是在微波雷达技术基础上发展起来的，两者在工作原理和结构上有许多相似之处工作频率由无线电频段改变成了光频段，雷达具体结构、目标和背景特性上发生了变化。微波天线由光学望远镜代替；接收通道中微波雷达可以直接用射频器件对接收信号进行放大、混频和检波等处理，激光雷达则必须用光电探测器将光频信号转换成电信号后进行处理。信号处理，激光雷达基本上沿用了微波雷达中的成熟技术。

(3)激光雷达特点①分辨率高角分辨率不低于0.1mard;距离分辨率可达0.lm;速度分辨率能达到10m/s以内.②隐蔽性好、抗有源干扰能力强激光直线传播、方向性好、光束非常窄.③低空探测性能好只有被照射的目标才会产生反射,完全不存在地物回波的影响.④体积小、质量轻发射望远镜的口径一般只有厘米级,整套系统质量最小的只有几十公斤

(4)三种综合性能雷达对比

2、激光雷达原理

(1)激光雷达基本结构①激光器：激光雷达的核心器件。激光器种类很多，性能各异，究竟选择哪种激光器作为雷达辐射源，往往要对各种因素加以综合考虑，其中包括：波长、大气传输特性、功率、信号形式、功率要求、平台限制（体积、重量和功耗）、对人眼安全程度、可靠性、成本和技术成熟程度等。从目前实际应用来看，Nd:YAG固体激光器、CO2气体激光器和GaAlAs半导体二极管激光器、光纤激光器等最具有代表性。

图2.1简易激光雷达组成

(1)激光雷达基本结构②接收器：适合于激光雷达用的光电探测器主要有PIN光电二极管、硅雪崩二极管(SiAPD)、光电导型碲镉汞(HgCdTe)探测器和光伏型碲镉汞探测器从目前实际应用来看，Nd:YAG固体激光器、CO2气体激光器和GaAlAs半导体二极管激光器、光纤激光器等最具有代表性。③光学天线透射式望远镜；反射式望远镜；收发合置光学天线；收发分置光学天线；自由空间光路；全光纤光路；波片（四分之一、二分之一）；分束镜、合束镜、布鲁斯特窗片

(1)激光雷达基本结构④光学扫描器多面体扫描器，利用多面体（6-12面）的转动来扫描，优点是扫描线性好、精度高，缺点是体积大、价格高；检流计式振镜扫描器，扫描角≤15°；声子偏转器，利用声光效应使入射光线产生偏转而实现光扫描，声光偏转器的扫描角不大，一般在±3°左右压电扫描器，利用逆压电效应产生摆动的新型扫描器；

(2)测距原理汽车激光雷达防撞系统特点：发射机发射的是一串重复周期一定的激光窄脉冲，是典型的非相干测距雷达；对它的要求是测距精度高，测距精度与测程的远近无关；系统体积小、重量轻，测量迅速，可以数字显示；操作简单，培训容易，有通讯接口，可以连成测量网络，或与其他设备连机进行数字信息处理和传输。

(2)测距原理激光雷达工作时，发射机向空间发射一串重复周期一定的高频窄脉冲。如果在电磁波传播的途径上有目标存在，那么激光雷达就可以接收到由目标反射回来的回波。由于回波信号往返于雷达与目标之间，它将滞后于发射脉冲一个时间，如图所示。

能测量目标距离是激光雷达的一个突出优点，测量的精度和分辨率与发射信号带宽(或处理后的脉冲宽度)有关。脉冲越窄，性能越好。图2.2脉冲式激光雷达测距原理

(2)测距原理根据获得tr的方法不同，可分为模拟测距和数字测距。第一跟踪精度高，且精度与跟踪距离无关;第二响应速度快，适合于跟踪快速目标;第三工作可靠和系统便于集成化;第四输出数据为二进制码，可以方便地和数据处理系统接口

(2)测距原理数字式测距只要记录回波脉冲到达时的计数脉冲的数目n，根据计数脉冲的重复周期T，就可以计算出回波脉冲相对于发射脉冲的延迟时间T为已知值。为了减少误差，通常计数脉冲产生器和雷达定时器触发脉冲在时间上是同步的。目标距离R与计数脉冲数h之间的关系为：式中，f为计数脉冲重复频率。

(3)位置确定右图是激光雷达工作时的俯视扫描面示意图，其中激光雷达为逆时针扫描。以激光发射器为原点建立坐标系，X轴定义为水平向右，Y轴定义为水平向前，Z轴是按照右手原则确定。一次扫描可以采集n个激光反射信息(距离、角度和强度信息)。再通过距离和角度，即可定位每个激光反射点的位置。图2.3俯视扫描示意图

(4)测速原理汽车激光雷达防撞系统要探测的目标是地面上运动着的车辆及物体，不但需要测量出目标的距离，而且需测量出目标与自车的相对速度(即径向相对速度)，从而探测出目标的实际速度。下列是依据多普勒频移原理测距。多普勒频移（vr为雷达与目标的径向相对速度）当目标向着激光雷达运动时vr>0,回波载频提高也就是自车与前车或障碍物间的距离在减小;反之vr<0,回波载波降低,自车与前车或障碍物间的距离在增大。所以只要能够测量出多普勒频移fd,就可以确定目标与雷达站之间的相对速度,也就是自车与前车或障碍物的相对速度，从而根据自车的速度计算出前车的速度。图2.4多普勒激光雷达测速

3、无人车介绍

(1)谷歌无人车2014年5月28日谷歌发布了一款自己设计的无人驾驶汽车。它能载人到处跑，还没个方向盘。这就是谷歌联合创始人谢尔盖·布林领导的创新小组GoogleX的最新项目。

谷歌采用了Velodyne公司的车顶激光测距系统，这一系统使用64个激光，以每分钟900次的速度发出光束，产生的点云可以提供给汽车360度的视角。图3.1谷歌无人车实物图

(1)谷歌无人车车顶上的扫描器发射64束激光射线，然后激光碰到车辆周围的物体，又反射回来，这样就计算出了物体的距离。另一套在底部的系统测量出车辆在三个方向上的加速度、角速度等数据，然后再结合GPS数据计算出车辆的位置，所有这些数据与车载摄像机捕获的图像一起输入计算机，软件以极高的速度处理这些数据。这样，系统就可以非常迅速的作出判断。图3.2谷歌无人车工作原理

(1)谷歌无人车

(2)百度无人车2015年12月，百度无人驾驶车国内首次实现城市、环路及高速道路混合路况下的全自动驾驶。百度无人驾驶车从位于北京中关村软件园的百度大厦附近出发，驶入G