智能网联汽车传感器技术 课件 5.1.3激光雷达的结构原理

2023烟台汽车工程职业学院李晓艳激光雷达的结构原理1.激光雷达的结构目录CONTENTS2.激光雷达的技术参数3.激光雷达的工作原理激光雷达的结构激光雷达的结构(1)激光发射系统：激光发射器是激光雷达中的激光发射机构，主要负责向目标物发出激光信号。激光发射系统的激励源周期性地驱动激光器，发射激光脉冲，如每秒钟点亮和熄灭16000次，利用激光调制器通过光束控制器控制发射激光地方向和线数，最后通过发射光学系统将激光发射至目标物体。激光雷达的结构（2）激光接收系统：激光接收系统主要接收经目标物反射之后回来的信息。激光照射到目标物以后，通过目标物物的反射光线会经由镜头组汇聚到接收光学系统光电探测器上，产生接收信号。激光雷达的结构（3）信号处理系统：信号处理系统负责控制激光器的发射、接收器收到的信号的处理，计算目标物体的距离等信息。信号处理系统将接收信号经过放大处理和数据转换后，由信息处理模块计算，获取目标表面形态、物理属性等特征，最终建立物理模型。激光发射系统、激光接收系统、和信号处理系统3个组件构成了测量的核心部件。激光雷达的结构（4）扫描系统（控制系统/旋转机构）扫描系统将核心部件以稳定的转速旋转起来，实现对所在平面扫描，并产生实时平面图信息。激光雷达的技术参数（1）距离分辨率：距离分辨率是指两个目标物体可区分的最小距离。（2）最大探测距离：激光雷达的测距与目标的反射率相关。目标的反射率越高测量的距离越远，目标的反射率越低测量的距离越近。因此在查看激光雷达的探测距离时要知道该测量距离是目标反射率为多少时的探测距离。最大探测距离通常需要标注基于某一个反射率下的测得值，例如白色反射体大概70%反射率，黑色物体7%～20%反射率。激光雷达的技术参数（3）测距精度：

测距精度是指对同一目标进行重复测量得到的距离值之间的误差范围。（4）测量帧频：

测量帧频与摄像头的帧频概念相同，激光雷达成像刷新帧频会影响激光雷达的响应速度，刷新率越高，响应速度越快。（5）数据采样率：

数据采样率是指每秒输出的数据点数，等于帧率乘以单幅图像的点云数目，通常数据采样率会影响成像的分辨率，特别是在远距离，点云越密集，目标呈现就越精细。激光雷达的技术参数（6）角度分辨率：角度分辨率是指扫描的角度分辨率，等于视场角除以该方向所采集的点云数目，因此本参数与数据采样率直接相关。角分辨率分为水平分辨率和垂直分辨率。水平分辨率可以做的很高，一般为0.01度级别。垂直分辨率与发射机几何大小相关，也与其排布有关系，相邻两个发射器间隔做的越小，垂直分辨率也就会越小。垂直分辨率为0.1-1度的级别。激光雷达的技术参数

（7）视场角：视场角又分为垂直视场角和水平视场角，是

激光雷达的成像范围。水平视场角是在水平方向上可以观

测的角度范围，旋转式激光雷达旋转一周为360°，所以是水平视场角为360°。垂直视场角是在垂直方向上可以观测的角度，一般为40°。它并不是对称均匀分布的，因为主要是需要扫描路面上的障碍物，而不是把打向天空，为了很好地利用激光，激光光束会尽量向下偏置一定的角度。而且，为了达到即检测到障碍物，同时又能够把激光束集中到中间重点关注的部分，来更好地检测车辆，激光雷达地光束不是垂直均匀分布的，而是中间密，两边疏。以64线激光雷达的光束为例，可以看到激光雷达光束有一定的偏置，向上的角度为15°，向下为25°，且激光光束中间密集，两边稀疏。激光雷达的技术参数（8）波长：三维成像激光雷达最常用的波长是905nm和1550nm波长激光雷达传感器可以以更高的功率运行，以提高探测范围，同时对于雨雾的穿透力更强。905nm的主要优点是硅在该波长处吸收光子，而硅基光电探测器通常比探测1550nm光所需的铟镓砷（InGaAs）近红外探测器便宜。激光雷达所采用的激光波长，波长会影响雷达的环境适应性和对人眼的安全性。激光雷达的工作原理

激光雷达的工作原理与超声波雷达

非常相近，以激光作为信号源，由

激光器发射出脉冲激光，激光束碰

到障碍物或目标物，即地面的树木、

道路、桥梁和建筑物等，引起散射，

一部分光波会反射到激光雷达的接收器上。激光接收系统进行处理，从而得知从发射至被反射回来并接收之间的时间，即激光的飞行时间（TOF）。根据飞行时间，计算出从激光雷达到目标点的距离。激光雷达的工作原理激光不断地扫描目标物，就可以得到目标物上全部目标点的数据，这些信息组成点云图，用此数据进行成像处理后，就可得到精确的三维立体图像。TOF激光雷达采用脉冲激光采样，并且能严格控制现场，以减少环境光的影响。（1）三角测距法测距基本原理激光器发射激光，在照射物体后，反射光由线性CCD(电荷耦合元件,是一种半导体装置，能够把光学影像转化为电信号)接收，由于激光器和探测器间隔了一段距离，所以依照光学路径，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。激光雷达的工作原理（2）飞行时间TOF法工作原理TOF（脉冲）测距是目前应用较多的方法之一，其基本原理是在测距点向被测目标发射一束短而强的激光脉冲，激光脉冲到达目标后会反射回一部分被光功能接收器接收。根据激光遇到障碍物的折返时间，通过光速计算目标与雷达的相对距离。假设目标距离为L，激光脉冲往返的时间间隔是t，光速为c，测距公式为d=tc/2。激光雷达的工作原理激光光束可以准确测量视场中物体轮廓边沿与设备之间的相对距离，这些轮廓信息组成点云图并绘制出3D环境地图。TOF法雷达可以测量的距离从原理上说，应该更远。实际上，在一些要求测量距离较远的场合，比武无人驾驶汽车应用，几乎都是TOF雷达。激光雷达的工作原理（3）