汽车基础环境部件及标定 16

激光雷达的工作原理主讲老师：XXX项目5：激光雷达的装调与故障诊断01学习情境LearningSituation02学习目标LearningObjectives03资料收集DataCollection06课堂总结Summary目录05课堂练习Afterclasstraining04思政专栏IdeologicalandPoliticalColumn学习情境LearningSituationPART01学习情境特斯拉事故频发，引发了对纯视觉自动驾驶方案的疑虑。一位客户因此对激光雷达在汽车领域的应用前景感兴趣，并到访公司进行咨询。这时经理安排你给客户介绍激光雷达的工作原理、类型、特点及相关应用。激光雷达特斯拉事故现场学习目标LearningObjectivesPART02学习目标素养目标1.引导学生树立终身学习理念；2.培养学生的跨文化交流能力，拓宽国际视野；3.培养学生社会责任感和奉献精神。1.能说出激光雷达的结构及其功能；2.能说出激光雷达的类型；3.能阐述激光雷达的应用和性能指标；4.能总结激光雷达的特点。知识目标资料收集DataCollectionPART03激光，又称LASER（LightAmplificationbystimulatedEmissionofRadiation）。是受激辐射的光放大。激光具有亮度高、方向性好、单色性好、偏振性强和相干性好等特点。激光1.激光的定义一、激光雷达定义激光雷达（LiDAR，LightDetectionandRanging）是发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。激光雷达是通过向目标发射探测信号（激光束），然后将接收到回波信号与发射信号进行比较，作适当处理后，最后得到目标的相关信息实现对目标的探测、跟踪和识别。激光雷达2.激光雷达的定义一、激光雷达定义使用激光雷达可以生成三维点云图像。点云是由许多三维坐标组成的数据集合，这些坐标表示激光束反射回来的点在空间中的位置。通过对点云数据进行处理和分析，可以识别出物体的位置、形状和大小。三维点云图像2.激光雷达的定义一、激光雷达定义实现激光雷达有效工作的主要构成有发射模块、扫描模块、接收模块和控制与处理模块。激光雷达结构1.激光雷达的结构二、激光雷达的结构及工作原理1.激光雷达的结构二、激光雷达的结构及工作原理组成部分介绍发射模块发射模块是激光雷达的光源，其主要包括激光器和发射光学系统。此系统中激光器又是产生脉冲激光的核心光源，其通过发出少量脉冲光束后，再通过能源激励物质在发射光学系统中完成对原始光束的增加，以实现最终脉冲激光束的诞生。扫描模块扫描模块的作用是改变激光束扫描的方向。扫描模块的构成差异是区分激光雷达类型的核心，当下，根据扫描模块是否存在机械转动部件，可将其分为机械、混合固态以及固态三类。其中，固态式激光雷达利用光学相控阵等光学技术，摆脱了传统激光雷达中的扫描模块（即相对于其他类型激光雷达而言，不再有扫描模块）。接收模块接收模块是激光雷达接收反射信号的关键，其核心组件为探测器，此组件的性能高低直接影响着激光雷达的测量距离、帧率和分辨率，其组成可包括雪崩光电二极管（APD）、单光子雪崩二极管（SPAD）和硅光电倍增管（SiPM）。控制与处理模块控制与处理模块是实现物理世界的光信号到数字世界的数字信号转换的关键桥梁，其主要是通过由放大器、滤波器、模数转换器和数字信号处理器等芯片构成的电路，来实现对模拟信号到数字信号的转换，接着由数字信号处理器执行相关算法以提高信噪比，并精确计算被测物的目标位置等信息。激光雷达主要工作过程是利用发射模块通过激光发射器生成脉冲激光束，并通过扫描模块改变激光束对外发射的角度，当此激光信号到达被测物表面时，会被反射回来，此时激光雷达的接收模块会对此反射信号进行捕获，并将其输送至控制与处理模块进行A/D转换，接着控制与处理模块会对数字信号进行分析并提取其中关键的测量信息，通过此测量信息实现对被测物的距离、方向、高度等信息的识别，以此来完成对周围环境的感知。激光雷达的工作原理2.激光雷达的工作原理二、激光雷达的结构及工作原理三、激光雷达的类型目前市场上有许多不同类型的激光雷达。激光雷达主流的分类方式有：激光波长、测距原理和扫描方式。激光波长测距原理扫描方式不同的激光器可以产生紫外线（10-400nm）到可见光（390-780nm）再到红外线（760-1000000nm）波段内的不同激光，相应的用途也各不相同。为了避免可见光对人眼的伤害，激光雷达选用的激光波长一般不低于850nm。而目前主流的激光雷达主要有905nm和1550nm两种波长。1.按激光波长分类三、激光雷达的类型优势劣势905nm905nm激光雷达可以使用廉价的硅基CMOS作为接收端，成本更加可控905nm的激光波长更接近人眼可见光波长（人眼可识别的可见光波长处在390-780nm），容易在人眼视网膜上聚焦成点，人眼视网膜温度上升10℃就会造成感光细胞损伤。因此在高功率下可能对人眼造成一定的安全隐患。为了保护人眼安全，通常会限制905nm激光雷达的光功率。1550nm1550nm激光会被人眼晶状体和角膜吸收，不会对视网膜产生伤害，因此这种波长的激光允许输出更高功率，实现更远的探测距离需要使用更加昂贵的铟镓砷（InGaAs）材质来接收，成本高按测距原理大体可分类为三种：三角测距、ToF和FMCW。2.按照测距原理分类三、激光雷达的类型三角测距FMCWToF（1）三角测距法根据相似三角形的基本原理，已知透镜焦距f，CCD/CMOS主光轴与激光器光轴的相对距离L，成像点与CCD/CMOS主光轴的偏离距离d，可以得到物体的距离D=(f(L+d))/d。2.按照测距原理分类三、激光雷达的类型三角测距原理图（2）TOF测距法TOF（TimeofFlight）是飞行时间测距法。就是通过激光从发射到返回的时间t来测量距离，即D=c*t/2。由于是利用光速c测距，因此在现阶段的应用场景中，理论上不会出现因距离增加导致精度下降的情况，因此ToF的有效探测距离很远。2.按照测距原理分类三、激光雷达的类型TOF测距法（3）FCMW测距法FCMW是一种对激光进行调频，根据频率差得到物体距离的测距方式。蓝色为发射信号频率，红色为接收信号频率，发射的激光束被反复调制，信号频率不断变化。激光束击中障碍物被反射，反射会影响光的频率，当反射光返回到检测器，与发射时的频率相比，就能测量两种频率之间的差值，从而计算出物体的位置信息。2.按照测距原理分类三、激光雷达的类型FCMW测距原理图三种不同测距原理优劣对比：2.按照测距原理分类三、激光雷达的类型类型优点缺点三角测距①成本低②短距离测量精度高①帧率低②有效探测距离短TOF测距①有效探测距离远②抗干扰能力强③帧率高①分辨率低②成本较高FCMW测距①远距离探测②高多普勒灵敏度③低功耗、抗干扰能力强①体积大②成本高③速度慢激光雷达按照扫描方式可以分为机械、混合固态和固态三种。3.按照扫描方式分类三、激光雷达的类型机械固态混合固态（1）机械激光雷达机械激光雷达是发展比较早的激光雷达，目前技术比较成熟。机械激光雷达在竖直方向上排布多组激光器，旋转体带动激光器旋转，将激光器发射的激光束呈不同角度向外发射，实现垂直角度的覆盖，将速度更快、发射更准的激光从“线”变成“面”，实现水平角度360度的全覆盖，达到动态扫描并动态接收信息的目的。3.按照扫描方式分类三、激光雷达的类型机械激光雷达结构图（2）混合固态激光雷达混合固态激光雷达用“微动”器件来代替宏观机械式扫描器，在微观尺度上实现雷达发射端的激光扫描。激光收发模块是不运动，只有扫描模块在做机械运动。按扫描模块的运动方式划分，混合固态激光雷达又分为MEMS微振镜、转镜和棱镜三种。3.按照扫描方式分类三、激光雷达的类型混合激光雷达扫描图（3）固态激光雷达固态激光雷达是激光雷达的发展方向，主要包括Flash激光雷达和OPA激光雷达。3.按照扫描方式分类三、激光雷达的类型Flash激光雷达OPA激光雷达固态激光雷达（3）固态激光雷达1）FlashFlash激光雷达不存在机械扫描过程，它是在短时间内向前方发射出一大片覆盖探测区域的激光，每个像素点可记录光子飞行时间。由于物体具有三维空间属性，照射到物体不同部位的光具有不同的飞行时间，通过高灵敏度的焦平面探测器阵列对回波信号进行收集，最后输出为具有深度信息的“三维”图像。3.按照扫描方式分类三、激光雷达的类型Flash激光雷达（3）固态激光雷达2）OPAOPA运用的是光学相控阵原理。采用多个光源组成阵列，通过调节发射阵列中每个发射单元的相位差，来控制激光束的发射方向。3.按照扫描方式分类三、激光雷达的类型相控阵原理四、激光雷达的技术指标技术指标含义举例反射率指物体反射的辐射能量占总辐射能量的百分比。不同物体的反射率不同，这主要取决于物体本身的性质（表面材质、形状和角度等）。如果反射率太低，那么激光雷达收不到反射回来的激光，导致检测不到障碍物20%：表示物体接收的激光辐射中有20%被反射出去了测量距离大多以90%反射率的漫反射物体(如白纸)作为测试基准。激光雷达的测量距离与目标的反射率呈正相关260m@20%：260m内可以探测到反射率大于20%的所有物体测距精度同一目标进行重复测量得到的距离值之间的误差范围车载激光雷达的测距精度至少应达到10cm以内雷达线数线数表示激光雷达包含独立的发射器和接收器的数目，通过电机的旋转，能够获得多条线束；线数越高，代表单位时间内采样的点就越多，分辨率也就越高常见的激光雷达的线束有16线、32线、64线、128线等扫描频率激光雷达一秒内进行多少次扫描。较高的扫描频率可以确保激光雷达实现较快速度的运动，并且保证地图构建的质量10Hz即旋转镜每秒转10圈视场角激光束通过扫描模块所能达到的最大角度范围,包括水平视场角和垂直视场角水平视场角：120°垂直视场角：-6.6°~4.58°角分辨率指两个相邻测距点的角度。表示激光雷达分辨目标的能力。角分辨率越小，则表明能够分辨的目标越小，角分辨率包括水平角度分辨率和垂直角度分辨率水平角度分辨率：5Hz:0.045°，10Hz:0.09°，20Hz:0.18°垂直角度分辨率：非均匀分布0.33°1.激光雷达的优点五、激光雷达的特点010203分辨率高抗干扰能力强三维成像能力强0203覆盖范围广全天候工作能力强激光雷达的工作波长较短，使得其在探测过程中具有极高的分辨率激光雷达的信号是激光，不易受电磁干扰和无线电干扰激光雷达通过发射激光脉冲并接收反射回来的信号，可以精确计算出每个点在三维空间中的位置，从而创建出高质量的三维点云数据。激光雷达可以实现大范围的扫描。机械激光雷达的扫描角度达360°相比于摄像头，激光雷达不依赖于外界光照条件，在夜晚或者低光照条件下仍能保持稳定工作2.激光雷达的缺点五、激光雷达的特点易受天气影响成本高昂数据处理难度大尽管激光雷达在一定程度上不受光照影响，但某些极端天气状况下，会出现性能显著降低的情况。例如，大雨、浓雾或雪粒会散射激光束，导致测距精度下降或完全失效。此外，沙尘暴环境中，大量悬浮颗粒会严重干扰激光雷达信号传统的机械式激光雷达因其复杂构造和高技术含量而导致制造成本较高，虽然近年来固态激光雷达的研发和量产正在逐步降低成本，但仍面临如何进一步优化性价比的问题激光雷达生成的数据量庞大，尤其是在高分辨率和高速扫描模式下。海量的原始数据处理和点云解析对硬件算力和算法提出了很高的要求六、激光雷达的应用目前，激光雷达在低速无人驾驶领域的应用主要有两个：障碍物检测和SLAM定位与构图。障碍物检测SLAM定位与构图应用障碍物检测是激光雷达在自动驾驶汽车中最为关键的应用之一。自动驾驶汽车需要能够快速准确地识别周围环境中的障碍物，包括其他车辆、行人、建筑物和路标等。而激光雷达可以生成高精度的三维点云图像，识别障碍物的位置和大小，为自动驾驶汽车提供准确的环境感知。1.障碍物检测六、激光雷达的应用障碍物检测激光SLAM任务是搭载激光雷达的主体于运动中估计自身的位姿，同时建立周围的环境地图。而准确的定位需要精确的地图，精确的地图则来自于准确的定位，定位侧重于自身位姿估计，建图侧重于外部环境的重建。2.SLAM定位与构图六、激光雷达的应用SLAM定位与构图激光SLAM定位与构图过程可分为三个步骤：（1）对获取到的激光点云进行数据处理，完成关键特征的提取。（2）通过GPS、IMU(惯性测量单元)和车辆的Encoder(编码器)得到车辆的初始位置。（3）进行地图的全局优化。2.SLAM定位与构图六、激光雷达的应用激光SLAM定位与构图原理图思政专栏PART04IdeologicalandPoliticalColumn思政专栏图漾科技的科研人员秉持强烈的社会责任感，聚焦传统3D激光雷达成本高、体积大的痛点，创新性地采用独特光学设计和数据处理算法，成功研发出高性价比、小型化的3D激光雷达产品，打破国外技术垄断。该产品在工业检测、物流分拣等领域高效应用，助力国内中小企业降本增效，推动产业升级。图漾科技的科研团队以科技创新践行社会责任，用实际行动为国内3D激光雷达技术发展注入新活力，为国家科技进步和经济繁荣贡