激光雷达光源

激光雷达的分类激光雷达，简称Lidar，也称LaserRadar或LADAR（LaserDetectionandRanging：激光探测及测距），是通过激光照射目标并用传感器测量反射光来测量目标距离的一种测量方法。

目前激光雷达广泛应用在测绘、气象监测、安防、自动驾驶等领域。

且大部分人认为，激光雷达是自动驾驶不可或缺的关键传感器。

目前市面上可见的车载激光雷达，基本都是机械式，其典型特征即为拥有机械部件，会旋转，比如Velodyne著名的大花盆HDL64。

当然也有混合固态激光雷达，即外面不转了，但里面仍有激光发射器进行旋转的种类。

但除了这两种激光雷达外，因使用的技术不同，还分为多种激光雷达。

下面我们一起来全面了解激光雷达的分类。

根据结构，激光雷达分为机械式激光雷达、固态激光雷达和混合固态激光雷达。

1、机械式激光雷达机械激光雷达，是指其发射系统和接收系统存在宏观意义上的转动，也就是通过不断旋转发射头，将速度更快、发射更准的激光从“线”变成“面”，并在竖直方向上排布多束激光，形成多个面，达到动态扫描并动态接收信息的目的。

以Velodyne生产的第一代机械激光雷达（HDL-64E）为例，竖直排列的激光发射器呈不同角度向外发射，实现垂直角度的覆盖，同时在高速旋转的马达壳体带动下，实现水平角度360度的全覆盖。

因此，HDL-64E在汽车行驶过程中，就一直处于360度旋转状态中。

因为带有机械旋转机构，所以机械激光雷达外表上最大的特点就是自己会转，个头较大。

如今机械激光雷达技术相对成熟，但价格昂贵，暂时给主机厂量产的可能性较低；同时存在光路调试、装配复杂，生产周期漫长，机械旋转部件在行车环境下的可靠性不高，难以符合车规的严苛要求...等不足。

当前的激光雷达战场，机械旋转式方案占据着绝对的统治地位，目前除了美国Quanergy 以外，各大主流的激光雷达供应商都是以机械旋转式的产品线为主，并以此为基础不断推进更高线数产品的迭代。

一、技术介绍1.激光雷达概念：激光探测与测量，Light Detection And Ranging，英文缩写为LiDAR，LiDAR的光源一般采用激光，原理与雷达原理相同，故都将LiDAR翻译为激光雷达，也可称为激光扫描仪。

工作原理：脉冲式和相位式，它有激光发射器、接收器、时间计数器、微电脑构成，成像为点云，并以数据为基础重建目标三维模型。

（相位式问题：相位测量仅能测出不足一周的相位差，相位差的分辨率限制测距的精度，为了保证精度而又兼顾测程，采用几个调制光波长配合测距。

）激光扫面技术分类：1D激光测距、2D激光测距、3D激光测距、多传感器的集成激光雷达和普通雷达的区别：普通雷达：射频电磁波被送到大气中，大气中的目标散射发射电磁波的一部分到普通雷达的接收器中。

激光雷达也发射和接收电磁波，但其频率相对较高，激光雷达工作在紫外光、可见光、近外红三个光谱波段激光雷达存在的问题两点同步难匹配、数据处理自动化程度低测量复杂度高、仪器昂贵、操作人员需要较高技巧、生产成本高、费时对天气、可见度等自然条件要求高很难获取较全面的信息2.三维激光扫描技术概念：三维激光扫描系统：由三维激光扫描仪、计算机、电源供应系统、支架以及系统配套软件构成、而三维激光扫描仪又由激光发射器、接收器、时间计数器、马达控制可旋转的滤光镜、控制电路板、微电脑、CCD相机以及软件组成。

三维激光扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，用三维激光扫描仪获取目标物表面各点的空间坐标，然后由获得的测量数据构造出目标物的三维模型的一种全自动测量技术。

是继GPS后的又一项测绘新技术，已成为空间数据获取的重要技术手段。

原理：三维激光扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号，经物体表面漫反射后沿几乎相同的路径反向传回到接收器，可以计算目标点P与扫描仪距离S。

激光测距技术是三维激光扫描仪的主要技术之一，激光测距的原理主要有基于脉冲测距法、干涉测距法、激光三角法三种类型。

1 什么是LiDARLiDAR，是Light Detection and Ranging的缩写，常用作代表激光雷达。

LiDAR是一种传感技术，可发射低功率，人眼安全的激光进行脉冲测量，并测量激光完成传感器与目标之间往返所需的时间。

所得的聚合数据用于生成3D点云图像，同时提供空间位置和深度信息以识别，分类和跟踪运动对象。

LiDAR工作原理：LiDAR的工作原理是检测并测量返回传感器接收器的光。

一些目标比其他目标反射的光线更好，这使它们更容易可靠地检测和测量到传感器的最大范围。

比如，黑色表面善于吸收更多光，而白色表面能够反射更多的光。

这样一来，与目标主题颜色相对较暗的目标相比，相对颜色较亮的目标更容易在更长的距离上受到可靠地检测或测量。

对于窗户等像镜子一样的目标在检测和测量方面颇具挑战性，因为与在多个方向上分散光的漫射目标不同，类似镜子的物体只能反射很小的聚焦光束，而不会直接反射到传感器的接收器中。

同时，诸如路标和车牌之类的可反光目标将高百分比的光返回接收器，并且是LiDAR传感器的良好目标。

由于存在这些差异，LiDAR传感器的实际性能和最大有效范围可能会根据目标的表面反射率而有所不同。

1.1点云点云是在同一空间参考系下表达目标空间分布和目标表面特性的海量点集合，在获取物体表面每个采样点的空间坐标后，得到的诸多特征点的集合，称之为“点云”（Point Cloud）。

点云是由3D点数据组成的大型数据集，由激光测量原理得到。

车载激光雷达产生的点云包含来自周围环境的原始数据，这些原始数据是从移动物体（例如车辆和人）以及静止物体（例如建筑物，树木和其他永久性结构）扫描而来的。

然后可以通过软件系统转换包含数据点的点云，以创建给定区域的基于LiDAR的3D图像。

激光测量得到的点云内容包括三维坐标（XYZ）和激光反射强度（Intensity），强度信息与目标的表面材质、粗糙度、入射角方向，以及仪器的发射能量，激光波长有关参数等。

tof激光雷达测距原理(一)TOF激光雷达测距原理TOF（Time of Flight）激光雷达是目前应用较广泛的测距技术之一。

本文将从浅入深，介绍TOF激光雷达的工作原理和相关技术细节。

什么是TOF激光雷达TOF激光雷达是一种基于激光测距原理的传感器。

它利用激光脉冲的发送和接收时间差来计算目标物体的距离。

TOF激光雷达可以广泛应用于自动驾驶、工业自动化、智能家居等领域。

TOF激光测距原理TOF激光雷达的测距原理是利用光的传播速度和发送接收时间差来计算距离。

1.发射激光脉冲：TOF激光雷达通过激光器发射一个短脉冲光束，该光束在空气中以光速传播。

2.接收反射光：光束照射到目标物体上后，会部分被反射回来。

TOF激光雷达内部的光接收器会接收到反射光，并记录下接收到光的时间。

3.计算距离：通过测量发射和接收时间差，乘以光速，即可得到目标物体到雷达的距离。

TOF激光雷达系统组成TOF激光雷达由以下几个主要组成部分构成：•激光器：产生短脉冲激光光束。

•光接收器：接收反射光，并记录接收时间。

•光电探测器：将接收的光信号转换为电信号。

•时间测量单元：记录发射和接收时间，计算时间差。

•数据处理单元：根据时间差和光速计算目标物体的距离。

TOF激光雷达的优点和挑战TOF激光雷达相比其他测距技术具有以下优点：•高精度：基于光速计算距离，测距精度高。

•高可靠性：不易受环境光影响，适用于各种场景。

•高抗干扰能力：能有效抑制其他光源的干扰。

然而，TOF激光雷达也面临一些挑战：•成本较高：相比其他传感器，TOF激光雷达的价格较高。

•受材料反射率影响：目标物体的材料反射率会影响测距精度。

•多目标识别：同时测量多个目标物体的距离需要较高的处理能力。

结语TOF激光雷达是一种应用广泛的测距技术，利用激光脉冲的发送和接收时间差来计算目标物体的距离。

它的工作原理简单，但在实际应用中需要考虑诸多因素，如材料反射率和多目标识别能力。

TOF激光雷达在自动驾驶、工业自动化等领域具有广阔的应用前景。

激光雷达中光电子技术的应用摘要：随着光电子技术的不断发展，在激光雷达领域中也得到了深入应用，并在雷达信号传输、信息处理等领域中取得了明显的成果。

笔者结合自身的实际经验，充分进行了探究与实践，阐述了光电子技术与激光雷达的概念，并介绍了光电子技术在激光雷达中的应用，期望能为各位同仁带来一些有效帮助。

关键词：激光雷达；光电子技术；应用引言作为一种交叉渗透技术，对各个领域的学科知识，光电子技术都进行了一定的应用，在实际的使用环节，光电子技术的兼容性也相对较强。

作为现代重要的科学技术，激光雷达的发展也在不断融合各种先进的科学技术，而光电子技术就是其中有代表性的一种。

1.激光雷达概述1.1激光雷达的概念当前我们提到的激光雷达主要是指激光探测系统，发射光源为激光器。

在现今社会当中，激光雷达探测的应用比较广泛，发射、接收和信息处理系统是激光雷达的主要构成部分。

通过各式各样的激光器，在与光学扩束单元配合下构成发射系统，固定激光器、半导体激光器等都是发射系统的一种；光电探测器和望远镜共同构成了接收系统，光电倍增管、红外和可见光多元探测器都是接收系统的主要形式；信息处理系统的主要功能是处理激光雷达工作中产生的各种信息。

在实际的使用过程中，激光雷达的探测方法由于不同的原理，也有多普勒、荧光等不同形式。

1.2激光雷达的原理作为一种涵盖了光电检测技术、信号处理技术和激光技术的系统设备，激光雷达的工作原理是通过发射激光的形式，来探测目标物的状态特征，或者是通过间接的方式探测与目标物相关的物理状态特征量，通过接收回波信号的方式，对比与发射信号之间的差异，来实现探测目标。

在实际的应用过程中，根据实际应用需求的不同，激光雷达系统也有着不同的形式，并取得了一定的应用成果，但无论是哪种激光雷达系统，都必须要通过激光来实现探测的目标。

由于激光独特的光学特性，在测量过程中能够得到准确的测量数据，并且在远距离探测过程中，分辨能力是厘米级的。

激光雷达的构成和零部件
激光雷达是一种利用激光进行距离测量的设备，其构成主要包括光源、发射器、接收器、处理器和数据存储器等部分。

光源是激光雷达的核心部件，通常采用气体激光器、半导体激光器或固体激光器等。

激光器的发射器将激光束发射出去，通过接收器接收返回的反射光，然后传输到处理器进行数据处理和分析。

接收器是激光雷达的另一个重要组成部分，其主要功能是接收反射回来的激光信号。

接收器通常由光电二极管、光电倍增管或光探测器等组成，可以将接收到的光信号转化为电信号，然后送入处理器进行处理。

处理器是激光雷达的核心部件，负责对接收到的激光信号进行处理和分析，并将数据输出到数据存储器中。

处理器通常采用数字信号处理器(DSP)、嵌入式处理器或计算机等，具有高速处理、分析和存储数据的功能。

数据存储器是激光雷达的另一个重要部分，用于存储处理器处理后的数据。

数据存储器通常采用内存、硬盘或闪存等，具有存储大量数据的能力。

综上所述，激光雷达的构成和零部件是一个相互协作的系统，每个部分都发挥着重要的作用，共同实现激光雷达的测量和分析功能。

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激光雷达的构成激光雷达是一种测距仪器，它利用激光束将目标物体上的反射光信号进行采集和处理，从而实现对目标物体的测距和成像等功能。

激光雷达由光源、扫描系统、控制电路、接收器、信号处理器等组成，下面将详细介绍激光雷达的构成。

1.光源激光雷达的光源通常采用半导体激光器，其工作原理是通过在半导体材料中注入电流来激发载流子复合发射光，产生相干的激光光束，其波长通常在红外波段。

半导体激光器具有体积小、寿命长、功率高、能效高等优势，是目前激光雷达最常用的光源之一。

2.扫描系统激光雷达的扫描系统主要由两部分组成：扫描器和扫描控制系统。

扫描器通常有两种类型：旋转扫描器和线性扫描器。

旋转扫描器常用于激光雷达中较为常见的机械式激光雷达，通过旋转镜片等扫描光束，实现对目标物体的测量，典型的代表是Velodyne HDL-64。

线性扫描器通常用于光电式激光雷达，通过摆动镜片或线性阵列等扫描光束，对目标图像进行采集，典型的代表是HDL-32。

扫描控制系统主要是负责控制扫描器的运动，生成扫描波形和控制光束的空间位置，以实现激光雷达对环境的高效扫描和采集。

3.控制电路激光雷达的控制电路是负责对光源、扫描系统和接收器等进行控制的电路，常用的控制电路包括功率驱动电路、扫描控制电路、同步信号电路、数据采集电路等，用于实现激光雷达的精确测量、高速采集和数据处理。

4.接收器激光雷达的接收器通常由接收光学系统和接收电路组成。

接收光学系统主要是用于接收反射光信号，并将光信号转换为电信号以进行后续处理。

接收电路主要包括前端放大器、模拟滤波器、模数转换器等部件，用于将接收到的模拟光信号转换为数字信号，并进行滤波、放大和抗干扰等处理。

5.信号处理器信号处理器是激光雷达的核心部件，主要用于对采集到的光信号进行处理和分析，提取目标物体的信息。

常用的信号处理方法包括傅里叶变换、滤波、聚类、分割、模式识别等，用于实现对目标物体的形状、位置、速度等多维度参数的提取和分析。

光学现象对激光雷达测距精度的影响在当今的科技领域，激光雷达作为一种高精度的测量技术，被广泛应用于自动驾驶、地理测绘、航空航天等众多领域。

然而，其测距精度并非完全无懈可击，光学现象的存在常常给激光雷达的测距带来诸多挑战和影响。

首先，我们来谈谈大气折射这一光学现象。

大气的成分并非均匀一致，温度、湿度和气压的变化都会导致大气折射率的改变。

当激光在大气中传播时，就会像光线通过不均匀的玻璃一样发生折射，从而使激光的传播路径发生弯曲。

这意味着激光实际走过的路程与我们预期的直线传播路径有所偏差，最终导致测距结果出现误差。

例如，在炎热的夏日，靠近地面的空气温度较高，而上方的空气温度相对较低。

这种温度梯度会造成大气折射率的分层变化，激光在传播过程中就会不断地折射和弯曲。

对于远距离的测距任务来说，这种微小的折射累积起来可能会导致相当显著的测距误差。

接着，大气散射也是一个不能忽视的因素。

大气中的各种粒子，如灰尘、水汽、烟雾等，会使激光发生散射。

一部分激光能量会偏离原来的传播方向，导致到达目标物体的激光能量减少，反射回接收器的信号变弱。

这不仅降低了测距的有效信号强度，还可能增加噪声，使得测量结果的准确性大打折扣。

此外，多径效应也会对激光雷达测距精度产生影响。

当激光照射到一个复杂的目标表面，比如具有多个反射面的建筑物或者粗糙的地形时，激光可能会经过多条不同的路径反射回接收器。

这些不同路径的反射信号相互叠加和干扰，导致接收到的信号变得复杂且难以准确解析，从而影响测距的精度。

再来说说光学干涉现象。

如果在激光传播的路径上存在其他相似频率的光源，或者反射面的粗糙度使得反射光之间产生干涉，就会导致接收到的信号出现周期性的强度变化。

这可能会使测距系统误判信号的到达时间，进而产生测距误差。

还有一个容易被忽略的问题是光学像差。

激光雷达系统中的光学元件，如透镜、反射镜等，并非完美无缺。

它们可能存在各种像差，如球差、彗差、色差等。

这些像差会使激光在传播和聚焦过程中发生变形和弥散，影响激光的光斑质量和能量分布，从而对测距精度造成不利影响。

激光的应用——激光雷达工作在红外和可见光波段的雷达称为激光雷达。

它由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成，激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，送到显示器。

LiDAR(Light Detection and Ranging)，是激光探测及测距系统的简称。

用激光器作为发射光源，采用光电探测技术手段的主动遥感设备。

激光雷达是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测方式。

由发射系统、接收系统、信息处理等部分组成。

发射系统是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器以及光学扩束单元等组成；接收系统采用望远镜和各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等组合。

激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法按照探测的原理不同可以分为米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射、荧光、多普勒等激光雷达。

自从1839年由Daguerre和Niepce拍摄第一张像片以来，利用像片制作像片平面图(X、Y)技术一直沿用至今。

到了1901年荷兰人Fourcade发明了摄影测量的立体观测技术，使得从二维像片可以获取地面三维数据(X、Y、Z)成为可能。

一百年以来，立体摄影测量仍然是获取地面三维数据最精确和最可靠的技术，是国家基本比例尺地形图测绘的重要技术。

随着科学技术的发展和计算机及高新技术的广泛应用，数字立体摄影测量也逐渐发展和成熟起来，并且相应的软件和数字立体摄影测量工作站已在生产部门普及。

但是摄影测量的工作流程基本上没有太大的变化，如航空摄影-摄影处理-地面测量(空中三角测量)-立体测量-制图(DLG、DTM、GIS及其他)的模式基本没有大的变化。

这种生产模式的周期太长，以致于不适应当前信息社会的需要，也不能满足“数字地球”对测绘的要求。

LIDAR测绘技术空载激光扫瞄技术的发展，源自1970年，美国航天局（NASA）的研发。