《智能汽车传感器技术》项目三

智能汽车传感器技术目录绪论超声波雷达技术项目1毫米波雷达技术项目2激光雷达技术项目3视觉传感器技术项目4组合导航技术项目5多传感器融合技术项目6项目3

激光雷达技术03项目导读激光雷达可在短时间内发射大量的激光束，以形成周围环境的点云图像，获得障碍物的距离、方位、高度、速度、姿态、形状等信息，从而实现对障碍物的探测、跟踪和识别。激光雷达具有高分辨率、高灵敏度、强抗有源干扰能力、可全天时观测等优点。激光雷达广泛应用于环境监测、地形测绘、高空探测等领域。项目导读本项目主要介绍激光雷达的基本知识、常见故障及其检修方法。知识目标：学习目标了解激光的特点。掌握激光雷达的特点、分类及组成。了解激光雷达的应用。熟悉激光雷达的测距原理及技术参数。掌握激光雷达的常见故障及其检修方法。能辨识激光雷达的主要组成部分。能检修激光雷达的常见故障。技能目标：素质目标养成专注技艺、追求卓越的职业作风。树立勇于探索、追求真理的科学精神。树立勤奋踏实、拼搏进取、勇于担当的奋斗精神。项目导航任务3.1认识激光雷达任务3.2检修激光雷达任务3.1

认识激光雷达任务引入小李在车展上看到了一辆造型与众不同的汽车，汽车的顶部凸出了一个近似长方形的部件，像是一个液晶屏。小李对这个凸出的部件非常好奇，经询问得知，原来这款汽车是蔚来ET7纯电动汽车（简称蔚来ET7，见图），车顶凸出的部件不是液晶屏，而是激光雷达。点击跳过情境任务引入该激光雷达能够发射1550nm的激光，可探测到最远500m处的目标，角分辨率可达0.06°。通过该激光雷达，蔚来ET7可实现超远距高精度探测。点击跳过情境任务引入激光雷达是什么？与其他类型的雷达有哪些不同？问题：3.1.1激光的特点在外界光子的作用下，原子会有一定的几率从高能态跃迁至低能态，同时向外辐射出一个与外界光子的波长、相位、偏振状态及传播方向均一致的光子，该现象称为受激辐射。受激辐射发出的光称为激光。激光是20世纪以来人类的一项重要发明之一，被称为“最快的刀”“最准的尺”“最亮的光”。与普通光源相比，激光具有单色性好、方向性好、相干性好、亮度高等特点。光的颜色是由其波长（或频率）决定的，光的波长分布范围越小，其单色性就越好。同一颜色的光，其波长大致相同。对于普通光源来说，其发出的光是由原子自发辐射产生的，光子的波长、相位、偏振状态及传播方向具有随机性。3.1.1激光的特点1．单色性好普通光源3.1.1激光的特点因此，普通光源发出的光，其波长分布范围较大、包含颜色较多。例如，太阳发出的可见光，其波长分布范围约为0.38～0.76μm，其颜色大致包括7种。3.1.1激光的特点激光激光是原子受激辐射产生的，其波长分布范围很窄，因此颜色极纯。较好的单色性可使激光在光纤通信中产生的噪声较小，从而具备较远的通信距离、较大的通信容量。较好的单色性也意味着较高的频率稳定性。3.1.1激光的特点2．方向性好普通光源普通光源是向四面八方发光的，若要使普通光源朝着一个固定方向发光，则需要安装具有聚光作用的反光镜。3.1.1激光的特点激光通常只沿一个方向传播，其激光束的发散角极小，大约只有0.001rad，几乎是一束平行光。在地球上用激光照射38.4万千米外的月球，在月球上仅出现一个直径为2km的光斑。若改用看似平行的探照灯光照射，在几千米外其直径就已扩散至几十米，即使能照射到月球，其光斑也将覆盖整个月球。激光较好的方向性可使其沿直线传播较远的距离。激光较好的方向性可使其获得较高的能量密度。3.1.1激光的特点3．相干性好普通光源普通光源的光是原子自发辐射产生的，相干性极差。相干性是描述波与波之间相位、频率关系的参数，包括空间相干性和时间相干性。3.1.1激光的特点激光激光是原子受激辐射产生的，每个光子的波长、相位、偏振状态及传播方向均相同，因此激光具有较好的相干性，是相干光。相干光在某些区域会相互加强，因此可通过透镜将其集中到一点，使能量高度集中。在光纤通信中，可利用激光的相干性，以较小的功率得到能量高度集中的激光，从而增大通信距离、提高通信质量。激光的相干性可使激光集中到一点，获得能量密度较高的激光束。而激光束的发散角极小，使得激光的能量在传播过程中向外散失较少，因此激光的亮度极高。例如，一台巨脉冲红宝石激光器所发出激光的亮度可以比太阳表面的亮度高得多。3.1.1激光的特点4．亮度高光源的亮度是光源单位发光表面沿给定方向的单位立体角所发出光的功率。3.1.1激光的特点激光在聚焦后，由于其高亮度的特点，能产生较为强烈的热效应，可使其焦点范围内的温度上升至数千甚至数万摄氏度，可轻易熔化甚至气化某些材料。因此常被应用于核聚变、仪器制造、肿瘤切割等领域。3.1.2激光雷达的特点激光雷达通过发射激光束来探测障碍物，可利用光的反射原理，根据激光从发射到被反射接收的时间间隔，来测量障碍物的位置、速度、角速度等运动参数。3.1.2激光雷达的特点此外，激光雷达可以每秒数百万个数据点的采样速度形成点云数据，从而获得障碍物的反射率、形状等特征参数。对这些点云数据和特征参数进行处理，可生成精确的三维立体图像。激光雷达的外观如图所示。

激光雷达的外观另外，激光雷达方向性好、亮度高、单色性好、能量高，在测量物体距离及探测物体表面形状等方面具有不可替代的优势，是ADAS的重要组成部分。3.1.2激光雷达的特点车载激光雷达所使用的激光射线，其波长一般为905nm或1550nm，位于近红外光波段，较传统雷达使用的无线电波的波长更短。因此，激光雷达拥有更高的探测精度。激光雷达的探测距离可达100m以上，探测精度可达厘米级。3.1.2激光雷达的特点知识加油站激光雷达会灼烧人眼？激光雷达会对我们的眼睛造成伤害吗？3.1.2激光雷达的特点3.1.2激光雷达的特点1．激光雷达的优点（1）分辨率高激光雷达工作于光学波段，激光的频率至少比微波的频率高2个数量级。因此，相较于微波雷达，激光雷达在测量距离、速度和角度方面具有更高的分辨率。激光雷达的距离分辨率一般可达0.1m；速度分辨率可达10m/s；角分辨率在0.1°之上，这意味着激光雷达可分辨出3km外相距0.3

m的两个目标。3.1.2激光雷达的特点（1）分辨率高此外，激光雷达发射出的激光束发散角小，能量集中，因此，激光雷达有更高的灵敏度和探测精度，可获得运动物体的高分辨率图像，并且可同时对多个目标进行跟踪。这些都是微波雷达无法做到的。3.1.2激光雷达的特点（2）探测精度高，探测距离远激光的频率高，因此激光雷达的扫描频率较高，探测精度也就较高；激光的波长短、穿透能力较强，因此激光雷达的探测距离较远。同时，激光雷达可利用不同分子对特定波长激光的吸收、散射和荧光特性，在分子量级上对障碍物进行探测，并且其探测系统的尺寸可做得很小，这也是微波雷达无法做到的。3.1.2激光雷达的特点（3）能全天时工作激光雷达是一种主动探测雷达，可发射激光束，通过探测激光束的回波信号并分析其相位、振幅、频率等来获取障碍物的信息，而不依赖外界的光照条件或障碍物本身的辐射特性，因此激光雷达可全天时工作。3.1.2激光雷达的特点（4）获取信息丰富激光雷达可利用激光束的波幅、频率、相位等参数，获取障碍物的位置、速度、方位角、形状等信息，且其多普勒频移大，能探测不同速度的障碍物。3.1.2激光雷达的特点（4）获取信息丰富激光雷达有多个脉冲激光器，可在1s内向外发射上百万个激光脉冲，并通过记录反射的激光点信息，在短时间内获得大量数据点，形成高密度的激光点云，从而快速地构建出周围环境的三维立体图像。另外，激光雷达也可利用旋转组件对周围环境进行360°扫描，能满足大范围测量和制图的需求。3.1.2激光雷达的特点（5）低空探测性能好由于各种地面回波会对微波雷达的探测产生干扰，因此微波雷达在低空探测时会存在探测盲区。而激光雷达是通过自身发射激光束来探测障碍物的，只有被激光束照射到的障碍物才会产生反射，完全不用考虑地面回波对其探测的影响，因此激光雷达具有良好的低空探测性能。3.1.2激光雷达的特点（6）隐蔽性好激光雷达的工作频率高，发射的激光束很窄，具有极好的方向性，只有在其传播路径上的激光接收器才能接收到，因此不易被其他激光接收器拦截。另外，激光接收器的口径很小，可接收到反射信号的区域也很窄，不易接收到其他的干扰信号。3.1.2激光雷达的特点（7）抗有源干扰能力强微波雷达在探测过程中易受自然界广泛存在的电磁波的影响，而激光雷达工作频率高，自然界可对其产生干扰的信号源较少。因此，激光雷达抗有源干扰能力强，适用于多种复杂环境。3.1.2激光雷达的特点激光在晴朗天气中传播时，其衰减幅度较小，可传播较远的距离。而在大雨、大雪、大雾等恶劣天气中传播时，激光会产生较大的衰减，传播距离大大缩小。（1）受天气和大气影响大例如，大气传输性能较好的二氧化碳激光，在恶劣天气时，其传输性能相较于晴天会衰减数倍。2．激光雷达的缺点另外，大气环流也会使激光束产生抖动，从而直接影响激光雷达的探测精度。因此，激光雷达的探测性能在恶劣天气中会有较大的衰减。3.1.2激光雷达的特点激光雷达每秒会产生上百万个数据点，信息处理较为复杂，因此成本较高。（2）成本高例如，一款普通的激光雷达售价可达上万元，而一款较好的毫米波雷达仅需要数千元。激光雷达发出的激光束极窄，只能在较小的范围内搜索和捕获障碍物。（3）空间搜索能力差3.1.3激光雷达的分类1．按激光波段分类按激光波段的不同，激光雷达可分为：紫外线激光雷达可见光激光雷达红外线激光雷达3.1.3激光雷达的分类2．按激光介质分类气体激光雷达输出能量较高，所采用的激光波长较长、在大气中传输时衰减较小，故探测距离远。但是体积较大，有较为严格的工作温度要求，适用于远距离测量和低照度环境。体积小、质量小、可靠性高、稳定性好，具有较高的能量转换效率和数据采样率，适用于近距离测量和高光强环境。近年来，主要向二极管泵浦方向发展。能以较高的数据采样率连续工作，且体积小、功耗低、寿命长，适用于便携式和车载式设备。0102固体激光雷达03半导体激光雷达3.1.3激光雷达的分类3．按激光发射波分类（1）连续波激光雷达发出的激光是连续的，其频率和功率较为稳定，不会出现剧烈波动。（2）脉冲激光雷达发出的激光是不连续的，其平均功率较小而瞬时功率较大，可在极短的时间内将能量集中释放，因此表现出较强的穿透力和较好的准确性。3.1.3激光雷达的分类4．按有无机械旋转部件分类1）机械旋转激光雷达机械旋转激光雷达带有控制激光发射角度的旋转部件，可带动激光雷达360°转动，从而实现激光对车辆周围环境的360°扫描。3.1.3激光雷达的分类结构复杂、零件较多、生产周期长、组装工艺复杂，因此其成本一直居高不下。内部存在大量可机械运动的部件，体积大、质量大，易受车辆振动的影响，因此易磨损、寿命较短。技术成熟，抗干扰能力强，可对外界进行360°扫描，一般安装在车辆顶部。优点缺点3.1.3激光雷达的分类高昂的成本和较短的寿命使得机械旋转激光雷达无法满足中低端汽车的使用需求。机械旋转激光雷达的外观如图所示。机械旋转激光雷达的外观3.1.3激光雷达的分类2）固态激光雷达固态激光雷达取消了机械旋转部件，利用光学相控阵列、光子集成电路等电子部件及远场辐射方向图，来控制激光的发射角度。3.1.3激光雷达的分类由于固态激光雷达内部无任何运动部件，因此其对温度和振动具有较强的适应性，可靠性高、寿命长、体积较小，可安装于车内。固态激光雷达可通过控制激光束，实现对某一区域的重点探测。优点例如，车辆在高速公路上行驶时，固态激光雷达主要扫描道路前方，而对车辆侧方仅进行稀疏扫描；遇到十字路口时，则加强对车辆侧方的扫描。这是只能匀速旋转的机械旋转激光雷达所无法实现的。3.1.3激光雷达的分类缺点固态激光雷达的视场角相较于机械旋转激光雷达的要小，一般在120°以内，若要达到360°覆盖，则需要安装多台固态激光雷达，数量越多，意味着成本越高。3.1.3激光雷达的分类固态激光雷达的外观如图所示。固态激光雷达的外观3.1.3激光雷达的分类半固态激光雷达（见图）是将激光光源固定，通过使激光光源前方的反射镜旋转来改变激光束的发射方向，从而实现多角度探测的。该过程在激光雷达外壳内部进行，因此外部看不出激光雷达的旋转。半固态激光雷达3）半固态激光雷达3.1.3激光雷达的分类优点半固态激光雷达没有体积较大的机械运动装置，且反射镜尺寸较小，因此相较于机械旋转激光雷达，半固态激光雷达体积较小、成本较低、稳定性较高。3.1.3激光雷达的分类目前，国内著名的激光雷达品牌有镭神智能、大疆、速腾聚创等。以镭神智能C16机械旋转激光雷达、大疆LivoxTele-15固态激光雷达和速腾聚创RS-LiDAR-16半固态激光雷达为例，3种激光雷达的主要技术参数如表所示。3种激光雷达的主要技术参数型号镭神智能C16大疆LivoxTele-15速腾聚创RS-LiDAR-16测距方式脉冲式脉冲式脉冲式激光波段/nm905905905安全等级1类（人眼安全）1类（人眼安全）1类（人眼安全）激光通道16线—16线3.1.3激光雷达的分类测距范围/m70～200320（10%反射率）；500（50%反射率）150测距精度/cm<2（5～70m）；<4（70～120m）单回波数据采样率/（万点/s）322430双回波数据采样率/（万点/s）644860扫描频率/Hz5、10、20—5、10、20水平视场角/（°）36014.5360（续表）3.1.3激光雷达的分类（续表）垂直视场角/（°）垂直角分辨率/（°）20.122水平角分辨率/（°）5Hz：0.09；10Hz：0.18；20HZ：0.360.025Hz：0.1；10Hz：0.2；20HZ：0.4通信接口以太网对外通信以太网对外通信以太网对外通信供电电压/VDC9～36DC10～15DC9～32工作温度/℃-20～60-40～85-30～60防护等级IP67IP67IP673.1.3激光雷达的分类4．按有无机械旋转部件分类1）单线束激光雷达在角频率和灵敏度方面，单线束激光雷达比多线束激光雷达更有优势，因此其在探测周围环境时精度更高，多被应用于机器人环境感知、安全防护、地形测绘等领域。单线束激光雷达扫描一次只产生一条扫描线，具有扫描频率高、分辨率强、可靠性高等优点优点获得的数据为2D数据，只能进行平面式扫描，无法测量物体的高度，具有一定的局限性缺点3.1.3激光雷达的分类2）多线束激光雷达多线束激光雷达扫描一次可产生多条扫描线，能识别到障碍物的高度信息，并获得障碍物较为完整的轮廓图像优点数据处理难度大，对硬件的要求较高缺点按线束数量的不同，多线束激光雷达可分为4线、8线、16线、32线、64线和128线等类型，线束越多，多线束激光雷达能捕捉到的物体细节就越丰富，分辨率就越高。按垂直视场角大小的不同，多线束激光雷达可分为2.5D激光雷达和3D激光雷达两种。以小组为单位讨论如下问题：请开动脑筋，列举几个在汽车上应用激光雷达的实例，并讨论这些汽车分别用到了哪些类型的激光雷达。3.1.3激光雷达的分类3.1.4激光雷达的组成激光雷达主要由激光发射器、扫描装置、激光接收器和数据处理器组成，如图所示。激光雷达的组成3.1.4激光雷达的组成激光发射器用于发射激光束扫描装置用于改变激光束的空间投射方向，使激光束向不同方向扫描激光束在遇到地面、树木、道路、桥梁、建筑物等障碍物时会发生反射，激光接收器会接收反射的激光并将其转换为电信号数据处理器根据激光测距原理对电信号进行计算、处理，并实现对周围环境的三维建模3.1.4激光雷达的组成1．激光发射器激光发射器的主要作用是发射激光束，其核心部件主要有激光器、激光调制器、光束控制器等。3.1.4激光雷达的组成激光器激光器是激光雷达中用于发射激光的部件，主要由泵浦源、受激介质和谐振腔组成。3.1.4激光雷达的组成原子在外界光子的作用下，可从高能态跃迁至低能态并辐射出光子，辐射出的光子再次作用于其他高能态的原子，进而再次辐射出光子。该过程不断重复进行，最终累积足够数量的光子并向外辐射形成激光。而要产生足够数量的光子，就需要有较多的原子处于高能态。怎样使大部分原子处于高能态？3.1.4激光雷达的组成3.1.4激光雷达的组成泵浦源就是提供能量、激励原子从低能态跃迁至高能态的装置，可使大部分原子都处于高能态。处于高能态的原子在外界光子的作用下会受激向低能态跃迁并辐射出光子。出的光子在谐振腔内反复作用于其他高能态原子，最终形成一束传播方向一致、频率和相位均相同的激光。激光调制器3.1.4激光雷达的组成光束控制器可调制激光的波形和参数，将激光调制为合适的连续波或脉冲波，并调整激光的幅度、频率、相位、偏振方向、重复频率等参数。利用激光调制器可防止不同激光雷达之间的干扰。用于控制激光束的束宽，以及激光束在空间中的位置和方向。可利用矩阵式反射镜组、矩阵式光栅、矩阵式滤光器等元件获得矩阵激光束。3.1.4激光雷达的组成2．扫描装置扫描装置可更改由激光发射器产生的激光束的方向，从而实现激光雷达对空间不同位置障碍物的扫描。3.1.4激光雷达的组成扫描装置主要由扫描器、步进电机、编码器、控制器等组成扫描器用于控制激光向目标区域扫描步进电机编码器控制器用于控制扫描器的旋转角度用于测量步进电机的旋转角度用于控制步进电机3.1.4激光雷达的组成激光雷达的扫描方式可分为机械式扫描、半固态扫描和固态扫描3种。1）机械式扫描机械旋转激光雷达采用机械式扫描方式，在工作时，其扫描装置和激光发射器会采用机械转动的方式，以一定的速度同时进行360°旋转。多个激光点在垂直方向上排布形成扫描竖线，并在激光雷达旋转的过程中形成扫描面。扫描频率高抗光干扰能力强优点成本高尺寸大机械结构易损坏缺点3.1.4激光雷达的组成半固态扫描主要应用于半固态激光雷达中，可分为转镜式扫描和微机电系统（microelectromechanicalsystem,MEMS）振镜式扫描两种。2）半固态扫描最早实现汽车前装量产的扫描方式，具有较好的探测性能和较高的稳定性。不同于机械式扫描的整体旋转，转镜式扫描利用旋转电机带动反射镜或棱镜进行局部旋转，从而将激光反射至空间的各个位置，最终实现激光扫描。（1）转镜式扫描3.1.3激光雷达的分类优点采用转镜式扫描方式的激光雷达，运行稳定、寿命长。缺点扫描频率上限低，对恶劣环境的适应性和耐久性较差，也无法通过采用半导体工艺规模化生产来降低成本。3.1.4激光雷达的组成将MEMS与振镜结合，形成微小的MEMS振镜（简称微振镜），通过电流对连接微振镜的悬臂梁进行控制，使微振镜产生平动或扭转，从而偏转激光束，以实现对目标区域的扫描，如图所示。（2）MEMS振镜式扫描MEMS振镜式扫描3.1.4激光雷达的组成将激光扫描所需的微型反射镜、MEMS驱动器、MEMS传感器等机械和光学元件集成在一起，形成微振镜，不仅可取消笨重的旋转电机和扫描镜等机械运动装置，还可减少激光发射单元的数量，提高激光雷达的扫描频率。优点3.1.4激光雷达的组成微振镜结构较为脆弱，耐久性和抗冲击性较差，易失效，且微振镜的镜面尺寸较小，限制了激光接收器接收激光的峰值功率，使得激光雷达的信噪比较低、有效探测距离较近。另外，微振镜有限的转角使得激光雷达的视场角较小，需要采用光源扩束、多个激光器拼接、多个微振镜拼接等方式来扩大视场角，这对激光雷达的硬件和软件要求较高。缺点3.1.4激光雷达的组成固态扫描不需要任何机械运动装置，可通过电子控制方式实现对多个角度的探测，主要有Flash和光学相控阵（opticalphasedarray,OPA）两种扫描方式。3）固态扫描类似于照相机，会在短时间内直接发射出覆盖整片探测区域的激光，再通过高灵敏的激光接收器接收反射激光，从而完成对周围环境图像的绘制。（1）Flash扫描方式3.1.3激光雷达的分类优点采用Flash扫描方式的激光雷达体积小、结构简单、扫描频率高。缺点探测距离较近、探测精度较差。3.1.4激光雷达的组成利用了激光的相干性，通过发射具有特定相位和光强的激光并调节各激光之间的相位关系，在某一特定方向上产生相互加强的高强度激光束，从而达到激光束扫描的目的。（2）OPA扫描方式3.1.3激光雷达的分类优点采用OPA扫描方式的激光雷达扫描频率高、精度高、可控性好。缺点OPA芯片加工难度高，且在扫描时易产生旁瓣干扰，会减小激光雷达的视场角和探测距离。3.1.4激光雷达的组成3．激光接收器激光接收器可接收不同时刻由不同位置的障碍物反射回来的激光，并将其转换为电信号，然后输送至数据处理器。3.1.4激光雷达的组成激光接收器通常由光学滤波器、光电探测器、信号放大器等组成（1）光学滤波器可将不需要的光信号过滤掉，确保光电探测器能接收到被障碍物反射回来的有效信号，其性能直接影响探测噪声的大小。（2）光电探测器是激光接收器的核心器件，是一种能将反射回来的激光信号转换为电信号的半导体器件，需要满足频带宽、灵敏度高、线性输出范围大、噪声低等要求。（3）信号放大器可将光电探测器输出的微弱电信号进行放大，从而提高激光雷达的探测精度，增大激光雷达的探测距离。3.1.4激光雷达的组成4．数据处理器数据处理器主要用于对激光接收器传来的电信号进行处理和分析，提取障碍物的信息，并进行三维立体图像重构。3.1.4激光雷达的组成数据处理器通常由前置放大器、模数转换器、数字信号处理器等组成（1）前置放大器可对激光接收器传来的电信号进行滤波、消噪、增强信噪比等处理，并将其放大到一定功率。（2）模数转换器可将放大后的电信号转换为数字信号，以便于数字信号处理器处理。（3）数字信号处理器可对数字信号进行处理和分析，从而获得障碍物的位置、速度、方位角、形状、高度、运动状态等数据，并将所得的数据进行存储、显示、输出等。3.1.5激光雷达的应用与超声波雷达和毫米波雷达常用的2D探测方式不同，激光雷达可发出大量激光脉冲，从而对车辆周围环境进行扫描，并通过对扫描到的点云数据进行快速处理，绘制出周围环境的3D图像。激光雷达的应用场景主要有障碍物的检测及运动目标的追踪可通行空间的检测高精度电子地图的制作3.1.5激光雷达的应用激光雷达通过发出大量激光脉冲对车辆周围环境进行扫描，形成模拟周围环境的点云图像，从而得到周围障碍物的位置信息。在短时间内对周围环境进行多次扫描，并通过分割点云来关联目标，可分析出前后两次扫描中同一位置的物体是否为同一物体，最终实现对障碍物的检测及运动目标的追踪，如图所示。另外，激光雷达根据其感知到的数据及障碍物所在车道的拓扑关系，可对障碍物的运动轨迹进行预测，从而实现无人驾驶汽车的路径规划。1．障碍物的检测及运动目标的追踪3.1.5激光雷达的应用障碍物的检测及运动目标的追踪3.1.5激光雷达的应用利用激光雷达对某区域进行重点扫描，可获得该区域的高密度点云图像，通过对该区域点云高度及连续性信息的分析，确定该位置是否可通行，从而实现对可通行空间的检测，如图所示。2．可通行空间的检测可通行空间的检测3.1.5激光雷达的应用车辆的定位系统可实时为车辆提供定位信息，但是易受环境和其他信号的干扰，且定位信息不够精确。激光雷达可对周围环境进行扫描并获得点云图像，将点云图像与车辆组合导航系统提供的信息相互匹配，可制作出周围环境的高精度电子地图，如图所示。3．高精度电子地图的制作高精度电子地图的制作实践操作——认识激光雷达1．准备工作（1）实训场所：理实一体化实训室。（2）实训车辆：：智能网联汽车综合实训平台（简称实训平台），如图所示。认识激光雷达实训平台1．准备工作（3）工具：隔离带、绝缘手套、绝缘垫、绝缘鞋、护目镜、拆装工具套装。（4）辅助资料：车辆维修手册、教材等。实践操作——认识激光雷达2．操作步骤实训平台上的激光雷达共有3个，分别是位于实训平台正上方的半固态激光雷达，以及位于实训平台头部和尾部保险杠下方的机械旋转激光雷达，如图所示。位于实训平台头部保险杠下方的机械旋转激光雷达位于实训平台尾部保险杠下方的机械旋转激光雷达实践操作——认识激光雷达1）观察激光雷达的外观（1）观察半固态激光雷达的外观，如图所示。观察半固态激光雷达的外观实践操作——认识激光雷达（2）观察机械旋转激光雷达的外观，如图所示。观察机械旋转激光雷达的外观实践操作——认识激光雷达2）观察激光雷达的工作状态（1）观察半固态激光雷达的工作状态，如图所示。观察半固态激光雷达的工作状态实践操作——认识激光雷达（2）观察机械旋转激光雷达的工作状态，如图所示。观察机械旋转激光雷达的工作状态实践操作——认识激光雷达课堂训练简述机械旋转激光雷达、固态激光雷达和半固态激光雷达的特点。简述转镜式扫描和MEMS振镜式扫描的特点。课堂小结认识激光雷达激光的特点激光雷达的特点激光雷达的分类激光雷达的组成激光雷达的应用任务3.2检修激光雷达任务引入小赵新买了一辆某品牌汽车，该车安装有激光雷达，可对车辆附近的车道线、车辆、行人、交通标志等进行扫描，并最终成像在车辆的组合仪表上。点击跳过情境任务引入这天，小赵开车进入隧道，不久后他就发现了一件怪事。点击跳过情境任务引入如所示，当他的车速达到99km/h时，车辆的组合仪表突然显示车辆右后方驶来一辆公交车，可当他观察车辆右侧及后侧摄像头拍摄的画面时，发现车辆右后方什么也没有，正当他感到疑惑时，组合仪表显示的公交车又消失了。经检查发现，这原来是点云噪点造成的虚假成像现象。某车组合仪表显示的虚假成像现象点击跳过情境任务引入以小组为单位讨论如下问题：为什么会出现虚假成像现象？3.2.1激光雷达的测距原理与毫米波雷达相似，激光雷达也是通过电磁波的反射来发现障碍物并测定障碍物的空间位置，然后利用多普勒效应进行测距和测速的。通过分析反射激光的频率、相位，以及激光从发射到被接收所用时间等参数，可确定障碍物的位置、速度、方位角等。通过不断重复此过程并调整激光的发射角度，激光雷达可实现对障碍物的扫描，从而得到障碍物上全部目标点的数据。对此数据进行成像处理后，可得到精确的障碍物三维立体图像。3.2.1激光雷达的测距原理按测距原理的不同，激光雷达的测距方法可分为脉冲测距法、相位测距法、三角测距法等。3.2.1激光雷达的测距原理点拨激光雷达的测速方法主要有两大类，分别是基于激光雷达测距原理测速和多普勒频移测速。基于激光雷达测距原理测速以一定的间隔时间连续测量障碍物的距离，再通过两次测量之间的时间差，计算出障碍物的速度。多普勒频移测速可参考毫米波雷达的多普勒测速原理，此处不再赘述。2.2.1毫米波雷达的探测原理1．脉冲测距法脉冲测距法也称飞行时间测距法，是目前激光雷达常用的测距方法之一。脉冲测距法的原理如图所示。脉冲测距法的原理2.2.1毫米波雷达的探测原理激光发射器会发射一个持续时间极短的激光脉冲，同时计数器开始计数。激光脉冲接触到障碍物后会反射回一部分激光，当激光接收器接收到反射回来的激光脉冲时计数器停止计数，对计数器所记录的数据进行计算即可得出发射脉冲与接收脉冲之间的时间差，即激光飞行时间。根据激光飞行时间及恒定的光速，即可计算出激光雷达与障碍物之间的距离。脉冲测距法的原理2.2.1毫米波雷达的探测原理假设发射脉冲与接收脉冲之间的时间间隔为，光速为，则障碍物与激光雷达之间的距离为（3-1）时间间隔t可由激光雷达内部的时钟晶体振荡器和计数器确定。时钟晶体振荡器可产生固定频率（）的电脉冲振动；脉冲计数器可对时钟晶体振荡器产生的电脉冲进行计数，记为，则（3-2）优点激光脉冲的发散角小、瞬时功率大，能量较为集中。因此，采用脉冲测距法的激光雷达，其探测距离可达数百甚至上千米。应用场合

测距精度不高，常用于中远距离测距、地图勘探、飞行器高度测量等场合。2.2.1毫米波雷达的探测原理2.2.1毫米波雷达的探测原理2．相位测距法相位测距法是利用发射波与反射波之间的相位差来测量距离的。相位测距法的原理如图所示。相位测距法的原理2.2.1毫米波雷达的探测原理激光雷达的激光器会发射一束连续的激光，激光调制器会对该激光的幅度、频率进行连续调制，经调制的连续激光照射到障碍物后会被反射回来，并被激光接收器接收。可根据调制激光往返过程中产生的相位变化，间接测得激光在空间中传播的时间，最终利用式（3-1）计算出激光雷达与障碍物之间的距离。相位测距法的原理2.2.1毫米波雷达的探测原理发射波与反射波之间的相位差为（3-3）式中：——调制激光的频率——延迟的相位中所包含的完整周期个数，可由计数器测得——完整周期的相位，可由相位比较器测得因此，障碍物与激光雷达之间的距离为（3-4）优点采用相位测距法的激光雷达具有测距精度高、体积小、结构简单、负载小、昼夜可用的优点，因此具有很大的发展潜力。应用场合相位测距法所测量的距离相对较近，一般在100m以内，且由于激光器发射的是连续激光，功率一般较小，故相位测距法常用于中近距离测量的场合。2.2.1毫米波雷达的探测原理2.2.1毫米波雷达的探测原理3．三角测距法激光雷达通过激光发射器发射一束激光，用于照射障碍物，激光在障碍物表面发生反射和散射，被反射的激光通过位于另一角度的接收透镜成像在光电探测器感光元件的敏感面上。当障碍物沿激光传播方向发生移动时，光电探测器上的光斑图像也将发生移动，根据其位移即可计算出障碍物的移动距离x

。由于激光发射器、障碍物、光电探测器三者之间构成了一定的三角关系，故该测距方法称为三角测距法。2.2.1毫米波雷达的探测原理激光发射器发射的激光束穿过会聚透镜垂直照射在障碍物表面，在障碍物表面发生漫反射后，反射的激光通过接收透镜成像在另一位置的光电探测器上，这种垂直照射的测距方式称为直射式三角测距法，其原理如图所示。(1）直射式三角测距法直射式三角测距法的原理2.2.1毫米波雷达的探测原理激光发射器发射的激光束与障碍物表面法线呈一定的角度，以这种入射方式进行三角测距的方法称为斜射式三角测距法，其原理如图所示。(2）斜射式三角测距法斜射式三角测距法的原理优点采用三角测距法的激光雷达成本低，近距离测量精度较高。缺点远距离测量精度低，且分辨率不高。2.2.1毫米波雷达的探测原理3.2.2激光雷达的技术参数（1）波长即激光雷达所发射激光的波长。激光的波长会影响激光雷达的环境适应性和对人眼的安全性。相同功率下，1550nm激光雷达比905nm激光雷达探测距离更远，大气穿透能力更强，对人眼更安全。3.2.2激光雷达的技术参数（2）探测距离即激光雷达能探测到的最远距离，与激光雷达的功率和障碍物的反射率有关。反射率是指照射到障碍物的激光能被反射回来的比率，不同颜色的物体反射率不同。例如，白色物体的反射率可达70%，而黑色物体的反射率只有7%～20%。物体的反射率越高，能被反射回来的激光就越多，激光雷达能检测到的有效回波就越多，探测距离就越远；反之，反射率越低，激光雷达的探测距离就越近。但过高的反射率也会影响激光雷达的点云成像效果。3.2.2激光雷达的技术参数（3）测距精度即激光雷达对障碍物所测距离与实际距离之间的误差。测距精度主要受激光接收器的灵敏度、外界噪声、障碍物的反射率等因素的影响，测距精度越高，激光雷达对障碍物的探测越准确。3.2.2激光雷达的技术参数（4）距离分辨率即激光雷达可区分两个障碍物的最小距离，与障碍物的距离、激光雷达的功率等因素有关。3.2.2激光雷达的技术参数（5）视场角即激光雷达可覆盖的角度范围，可分为水平视场角和垂直视场角两种。视场角决定了激光雷达的探测范围，对车辆的环境建模和路径规划功能影响较大。视场角通常受激光雷达类型的影响，如机械旋转激光雷达的视场角可达360°，而固态激光雷达的视场角通常不超过120°。3.2.2激光雷达的技术参数（6）角分辨率即激光雷达可探测到的最小角度，可分为水平角分辨率和垂直角分辨率两种。激光雷达的旋转使激光束之间产生水平角度，因此激光雷达扫描频率越低，水平角分辨率就越高，但是低扫描频率会影响激光雷达信息采集的速率。水平角分辨率通常是均匀分布的，而垂直角分辨率并非均匀分布，通常是中间高、上下低，以重点探测中间高度区域的目标（如行人）。一般来说，角分辨率越高，激光雷达能分辨的目标就越小，测得的点云数据就越精细。3.2.2激光雷达的技术参数（7）扫描频率即激光雷达每秒的扫描次数，也称帧频，与激光雷达扫描装置的转速有关。一般来说，扫描频率越高，激光雷达可探测到的障碍物数量就越多，对高速移动的障碍物探测得就越准确。激光雷达通常按梯度设置多个扫描频率。3.2.2激光雷达的技术参数（8）数据采样率即激光雷达每秒输出的数据点数。数据采样率会影响点云成像的分辨率，通常数据采样率越高，点云就越密集，扫描效果就越好，障碍物呈现得就越精细。3.2.3激光雷达的检修1．激光雷达常见故障的类型激光雷达常见故障的类型1.2.3超声波雷达的检修激光雷达不工作、无法建立三维点云图，原因一般为：①电源故障，如电源正负极短路、电源电压较低等②电路故障，如电路短路、虚接、断路等③激光雷达自身故障，如内部部件损坏等④激光雷达通信故障⑤激光雷达系统软件故障1）激光雷达不工作2．激光雷达常见故障的检修方法1.2.3超声波雷达的检修对于此类故障，可先检查激光雷达供电是否正常，再检查连接激光雷达的线束是否有连接松动、破损等问题。若正常测试连接线、信号线、网线等线束的连接是否正常。检查激光雷达与显示系统的通信是否正常，以及相关软件的运行是否正常，直至找出故障点并对故障点进行相应的维修。若正常1.2.3超声波雷达的检修激光雷达能正常工作，但数据不准确，原因一般为：①激光雷达安装故障②激光雷达校正不当③激光雷达控制器故障2）激光雷达工作但数据不准确1.2.3超声波雷达的检修对于此类故障，可先检查激光雷达是否松动、移位，表面是否有脏污。然后对激光雷达进行安装校正。最后检查激光雷达相关软件运行是否正常，直至找出故障点并对故障点进行相应的维修。1.2.3超声波雷达的检修3．激光雷达的点云噪点问题激光雷达通过在短时间内发射大量激光信号，获得大量激光点，形成激光点云。但是有时激光雷达也会采集到一些无意义、无规则的点，即点云噪点。点云噪点主要是由障碍物表面反射率过高及恶劣环境造成的。1.2.3超声波雷达的检修（1）障碍物表面反射率过高。当障碍物表面的反射率过高时，激光雷达会因反射回来较高的点云能量而出现高反“鬼影”和高反“膨胀”现象。1.2.3超声波雷达的检修高反“鬼影”由于激光雷达对高反射率物体（如交通指示牌、车牌照、车尾灯等）反射的高强度回波非常敏感，而使得激光雷达在物体的真实位置附近另外生成一个与物体大小、形状类似的虚假点云图像。高反“膨胀”指当激光雷达照射到高反射率物体时，点云图像会向四周扩散，使得障碍物的点云图像“膨胀”的现象。由障碍物表面反射率过高引起的点云噪点一般可通过加强激光雷达硬件性能和使用滤波算法的方式消除。1.2.3超声波雷达的检修（2）恶劣环境当车辆处于雨、雾、雪、粉尘等恶劣环境时，空气中较多的水蒸气、固体颗粒等粒子会对激光信号造成遮挡、反射，从而影响激光雷达对物体的扫描，使激光雷达出现点云噪点。科技前沿——我国激光雷达新突破我国激光雷达新突破实践操作——检修激光雷达1．准备工作（1）实训场所：理实一体化实训室。（2）实训车辆：大众ID.4。（3）工具：万用表、绝缘手套、隔离带、绝缘垫、绝缘鞋、护目镜。（4）辅助资料：车辆维修手册、教材等。检修激光雷达2．操作步骤本任务检修的是位于实训平台正上方的半固态激光雷达和位于实训平台尾部保险杠下方的机械旋转激光雷达。实践操作——检修激光雷达1）认识智能网联汽车系统测量终端智能网联汽车系统测量终端（简称测量终端）位于实训平台的侧面，可用于检测激光雷达的故障。实训平台与测量终端如图所示。（a）实训平台（b）测量终端实训平台与测量终端实践操作——检修激光雷达3）检查毫米波雷达线束连接器检查毫米波雷达线束连接器是否存在损坏、接触不良、老化、松脱等现象，如图所示。检查发现毫米波雷达线束连接器完好，连接正常。检查毫米波雷达线束连接器实践操作——检修激光雷达实践操作——检修激光雷达2）检修半固态激光雷达（1）确认故障现象。接通半固态激光雷达电源，发现指示灯未点亮，半固态激光雷达不工作，如图所示。确认故障现象实践操作——检修激光雷达（2）使用万用表测量半固态激光雷达的电源电压。将万用表的正表笔连接测量终端半固态激光雷达电源电路的正极接口，负表笔连接测量终端的信号测量接口，