学术交流丨自动驾驶传感器——激光雷达篇（一）
以下文章来源于四维图新NavInfo ，作者智能汽车大脑
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近几个月，激光雷达可谓大热，先是去年11月小鹏汽车CEO何小鹏和钢铁侠马斯克针对于激光雷达展开了一轮口水战，紧接着12月华为发布车规级96线中长距高性能激光雷达，同日，北汽旗下ARCFOX谍照曝光，成为首个搭载华为激光雷达的电动车。今年1月7日，上交所受理了禾赛科技的上市申请及公布了招股书，顺利的话禾赛科技有可能成为国内第一家成功上市的激光雷达公司。
显然随着这些事件的到来，未来智能汽车的自动驾驶场景也将跨越更实质性的一步，作为传感器之一的激光雷达究竟你了解多少呢？自动驾驶车还有哪些传感器呢？接下来我们会为大家开启一轮关于传感器的“新知”系列，而这一切，自然先由激光雷达开始。
1.车载传感器主要分类及功能
2.激光雷达原理
3.激光雷达发展历程
4.激光雷达分类
01 车载传感器主要分类及功能
我们还是先从传感器说起，再进入激光雷达部分。而传感器对于自动驾驶车来说，可以说是种类繁多，拿我们四维图新自动驾驶车辆上的传感器来举个例子，如下图所示：
图为：四维图新自动驾驶车上主要传感器
上述的传感器，对应的功能也各不相同，以下为小编整理的表格：
图为：部分传感器的功能及优缺点
以上为简单的分类，下面我们进入激光雷达部分！
02 激光雷达的原理
再说激光雷达之前，我们可以先了解一下雷达。
雷达，是英文“Radar”的音译，英文全称为RadioDetection and Ranging，即无线电探测和测距。
雷达向目标发射无线电波，通过发送信号与目标反射信号进行对比，来获得目标至发射点距离、距离变化率、方位、高度以及角度等信息。
激光雷达（英文Lidar），英文全称为LaserDetecting and Ranging，即激光探测和测距。与雷达工作原理类似，只是激光雷达通过发射和接收激光束来实现功能。
激光测距原理
小伙伴可以通过以下的视频更清楚的了解激光雷达的原理：
视频来源：TED-Ed
经过激光雷达扫描后，物体反射回来接收到的则是一系列的点，因此激光雷达扫描出来的结果也叫“激光点云”。
图为 激光雷达点云图（来源于禾赛科技官网）
这里顺带说一句，作为四维图新而言，激光雷达不仅是四维图新自动驾驶解决方案里的重要传感器，也是四维图新高精度地图采集的主要工具。
我们通过高精度地图采集车上搭载的激光雷达，将扫描过的点云数据加以处理，并通过高度的自动化平台进行绘制，从而为自动驾驶车感知、定位、规划、决策等模块提供重要支持。
目前四维图新高精度地图已经覆盖国内30万公里高速公路以及5000+公里城市道路。
图为：激光雷达点云数据
图为：高速道路HDMap
图为：城市道路HDMap
03 激光雷达发展历程
1968年诞生并应用于水下探测
听起来十分现代化科技的“激光雷达”其实早在1968就由美国锡拉丘兹大学（Syracuse University）的Hickman和Hogg应用在世界上第一个激光海水深度测量系统中了，该系统通过计算不同机载激光雷达回波之间的时间差实现海洋深度测算。
20世纪70年代末应用于航天领域
美国国家航空航天局（NASA）成功研制出一种具有扫描和高速数据记录能力的机载海洋激光雷达系统，此后机载激光雷达系统蕴含的巨大应用潜力开始受到关注，并开始应用于陆地地形勘测研究中心。
20世界90年代后期至今
全球定位系统及惯性导航系统的发展使得激光扫描过程中的精确即时定位定姿成为可能，而近年来，随着激光雷达传感器成本的不断降低和逐步轻量化，近地面移动激光雷达平台，如背包、车载以及无人机等收到了越来越广泛的关注，从而应用于更多的场景，包括我们目前热度极高的自动驾驶领域。
图为：《激光雷达森林生态应用》插图，郭庆华苏艳君 胡天宇 刘瑾著
04 激光雷达的分类
随着激光雷达技术的不断发展，激光雷达的种类也在不断增加，而且相关参数和维度不一样，种类也有差异，下面小编为大家介绍几个常用的分类维度。
脉冲式是指激光器向目标发射一束很窄的光脉冲，系统通过测量从信号发出到信号返回的时间间隔来确定激光器到目标物的距离。
相位式则是对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的的相位延迟，利用调制光的波长，换算此相位延迟所代表的的距离。
总结一下，光电测距的原理就是路程=速度*时间这一公式的应用。
脉冲式采用记录发射光和反射光的时间来测距，相位式采用电磁波测距，由于激光发射能量的限制，此类设备一般用于较近距离的测量。
地基激光雷达，通常用于单一目标或者小尺度精细三维数据的采集；
机载激光雷达以飞行器为搭载平台，通常用于区域尺度三维信息数据的快速获取；
星载激光雷达以卫星平台为依托进行大尺度三维信息数据的获取。
图为：《激光雷达森林生态应用》插图，郭庆华苏艳君 胡天宇 刘瑾著
顾名思义，这两个最明显的区别就是一个可以旋转，一个不可以
旋转式激光雷达内部有一个马达，通过马达带动激光束360°旋转扫描，每扫描一圈得到一帧激光点云数据，扫描一圈的时间称为一个扫描周期。
图为：旋转式激光雷达示意图
固态激光雷达分好几种技术路线，这里小编以相控门阵列技术为例说说，通过调整信号的相对相位来改变激光束的发射方向，实现扫描整个平面，固态雷达的扫描范围有限，一般水平视角为60°左右。虽然固态雷达的角度范围小，但是扫描精度和指向精度高、可控性好、成本也相对较低，是激光雷达未来的主要发展方向，但目前旋转式激光雷达仍是主流。
图为：velodyne的固态激光雷达velarray
激光雷达常以线数区分，如4线、8线、16线、32线、128线等。 线数是指激光发射光源数，16线产品有16个光源，以此类推，华为近期发布的96线激光雷达就是含有96个光源，在形态上可能是固态激光雷达。
图为：华为96线中长距高性能激光雷达
结语：
纵观激光雷达发展史，其使用载体继船舶、飞机后，汽车已然成了雷达下一个载体。20世纪70年代，德国科技部确立汽车雷达应用研发项目。21世纪初，雷达开始大批量上车。21世纪以来，中国汽车雷达产业逐步崛起，倒车雷达需求首先引爆超声波雷达产业，自动驾驶风潮催生出毫米波雷达与激光雷达的繁荣。
希望朋友们可以通过本篇文章了解激光雷达的基本情况，小编也会在后续的文章里针对于目前激光雷达行业及相关企业产品的角度来继续说明，敬请期待吧！
END
来源：四维图新NavInfo