第七節 激光雷達
激光雷達是以發射激光束來探測目標位置的雷達系統，其功能包含搜索和發現目標；測量其距離、速度、角位置等運動參數；測量目標反射率、散射截面和形狀等特征參數。
激光雷達根據掃描機構的不同，有二維和三維兩種。它們大部分都是靠旋轉的反射鏡將激光發射出去并通過測量發射光和從障礙物表面反射光之間的時間差來測距。三維激光雷達的反射鏡還附加一定范圍內俯仰，以達到面掃描的效果。
二維激光雷達和三維激光雷達在先進駕駛輔助系統上得到了廣泛應用。與三維激光雷達相比，二維激光雷達只在一個平面上掃描，結構簡單，測距速度快，系統穩定可靠；但二維激光雷達用于地形復雜、路面高低不平的環境時，由于它只能在一個平面上進行單線掃描，故不可避免會出現數據失真和虛報的現象。同時，由于數據量有限，用單個二維激光雷達也無法完成越野環境下的地形重構。
一、激光雷達的特點
激光雷達以激光作為載波，激光是光波波段電磁輻射，波長比微波和毫米波短得多。激光雷達具有以下特點。
①全天候工作，不受白天和黑夜的光照條件的限制。
②激光束發散角小，能量集中，有更好的分辨率和靈敏度，探測精度高。
③可以獲得幅度、頻率和相位等信息，且多普勒頻移大，可以探測從低速到高速的目標。
④抗干擾能力強，隱蔽性好，激光不受無線電波干擾，能穿透等離子鞘套，低仰角工作時，對地面的多路徑效應不敏感。
⑤激光雷達的波長短，可以在分子量級上對目標探測且探測系統的結構尺寸可做的很小。
⑥激光雷達具有三維建模功能，能夠檢測周圍360°所有物體。
二、激光雷達的組成
激光雷達是由激光發射系統、光電接收系統、信號采集處理系統、控制系統等組成，其簡化結構如圖2-18所示。
圖2-18 激光雷達系統的簡化結構
激光雷達發射系統主要負責向障礙物發出激光信號；接收系統主要負責接收經障礙物反射之后回來的激光信息；信號采集處理系統主要負責將接收回來的信號進行處理，使它能夠符合下一級系統的要求，它是激光雷達系統最關鍵的環節，將直接影響激光雷達系統的測量精度；控制系統主要作用是提供信號并且對接收回來的信號進行數據處理。
三、激光雷達的測距原理
激光雷達測距的基本原理是通過測算激光發射信號與激光回波信號的往返時間，從而計算出目標的距離。首先，激光雷達發出激光束，激光束碰到障礙物后被反射回來，被激光接收系統進行接收和處理，從而得知激光從發射至被反射回來并接收之間的時間，即激光的飛行時間，根據飛行時間，可以計算出障礙物的距離。
根據所發射激光信號的不同形式，激光測距方式可分為脈沖激光測距和連續波相位激光測距兩大類。目前，主要用到的測距方法有脈沖測距法、干涉測距法和相位測距法等。
1.脈沖測距法
用脈沖法測量距離時，首先激光器發出一個光脈沖，同時設定的計數器開始計數，當接收系統接收到經過障礙物反射回來的光脈沖時停止計數。計數器所記錄的時間就是光脈沖從發射到接收所用的時間。
光速是一個固定值，所以只要得到發射到接收所用的時間就可以算出所要測量的距離，如圖2-19所示。
圖2-19 脈沖激光測距原理
設c為光在空氣中傳播的速度，c=3×108m/s，光脈沖從發射到接收的時間為t，則待測距離為L=ct/2。
脈沖式激光測距所測得距離比較遠，發射功率較高，一般從幾瓦到幾十瓦不等，最大射程可達幾十千米。脈沖激光測距的關鍵之一是對激光飛行時間的精確測量。激光脈沖測量的精度和分辨率與發射信號帶寬或處理后的脈沖寬度有關，脈沖越窄，性能越好。
2.干涉測距法
干涉測距法的基本原理是利用光波的干涉特性實現距離的測量。根據干涉原理，產生干涉現象的條件是兩列有相同頻率、相同振動方向的光相互疊加，并且這兩列光的相位差固定。
干涉測距法原理如圖2-20所示，激光器發射出一束激光，通過分光鏡分為兩束相干光波，兩束光波各自經過反射鏡M1和M2反射回來，在分光鏡處又匯合到一起。由于兩束光波的路程差不同，通過干涉后形成的明暗條紋也不同，所以傳感器將干涉條紋轉換為電信號之后，就可以實現測距功能。
圖2-20 干涉法激光測距原理
干涉法測距技術雖然已經很成熟，并且測量精度也很好，但是它一般是用在測量距離的變化中，不能直接用它測量距離，所以干涉測距一般應用于干涉儀、測振儀、陀螺儀中。
3.相位測距法
相位測距法的原理是利用發射波和返回波之間所形成的相位差來測量距離的。首先，經過調制的頻率通過發射系統發出一個正弦波的光束，然后，通過接收系統接收經過障礙物之后反射回來的激光。只要求出這兩束光波之間的相位差，便可通過此相位差計算出待測距離。相位法激光測距原理如圖2-21所示。
圖2-21 相位法激光測距原理
激光從發射到接收的時間為
（2-2）
式中，t為激光從發射到接收的時間；Δφ為發射波和返回波之間的相位差；ω為正弦波角頻率；f為正弦波頻率。
待測距離為
（2-3）
相位測距法由于其精度高、體積小、結構簡單、晝夜可用的優點，被公認為是最有發展潛力的距離測量技術。相比于其他類型的測距方法，相位測距法朝著小型化、高穩定性、方便與其他儀器集成的方向發展。
四、激光雷達的應用
目前，汽車上應用的激光雷達主要型號見表2-2，表中報價僅供參考。
表2-2 激光雷達特性
IBEO LUX（4線）激光雷達是德國IBEO公司借助高分辨率激光測量技術，推出第一款多功能的汽車智能傳感器。它擁有110°的寬視角，0.3～200m的探測距離，絕對安全的1等級激光。
在有限的空間內，集7種功能和低成本于一體，能輕松應對路面上的多種危險交通路況，輕易集成到任何車體并觀察到任何角度。因此，LUX（4線）激光雷達不僅保證了使用的便利性，而且提高了安全性。
LUX（4線）激光雷達不僅輸出原始掃描數據，同時輸出每個測量對象的數據，如位置、尺寸、縱向速度、橫向速度等，擁有遠距離、智能分辨率、全天候等能力，結合110°的寬視角，在以下7個方面擁有出色的性能。
（1）行人保護 當一個人出現在車輛行駛的前方路面上，需要車輛提供保護的場合。LUX（4線）激光雷達能檢測0.3～30m視場范圍內所有行人。通過分析對象的外形、速度和腿部移動來區分行人與普通物體，傳感器在啟動安全保護措施（如安全氣囊）前300ms時發出警告，這樣便可在發生碰撞之前保護行人。
（2）自適應巡航控制系統的啟和停 基于LUX（4線）激光雷達的自適應巡航控制系統可在0～200km/h的速度范圍內實現自動行駛，可在沒有駕駛員幫助的情況下自動調整車速，如有必要，剎車停行。寬視場范圍使得它能及時地檢測到并線的車輛，并且快速判斷它的橫向速度。
（3）車道偏離預警 LUX（4線）激光雷達可以檢測車輛行駛前方的車道線標識和潛在的障礙，同時也可以計算車輛在道路中的位置。如果車輛可能會偏離航線，系統會立即發出預警。
（4）自動緊急剎車 LUX（4線）激光雷達實時檢測車輛行駛前方的所有靜止的和移動的物體，并且判斷它們的外形，當要發生危險時，自動緊急剎車。
（5）預碰撞處理 通過分析所有的環境掃描數據，不管是即將發生什么樣的碰撞（如擦碰），預碰撞功能會在碰撞發生前100ms發出警告。LUX（4線）激光雷達能計算出碰撞的初始接觸點并且采取措施以減小碰撞，提前啟動安全系統。
（6）交通擁堵輔助 針對城市擁堵路況，LUX（4線）激光雷達能夠在上下班路上消除頻繁啟停而帶來的煩惱。駕駛員只需掌握好汽車轉向盤，該功能在速度小于30km/h的路況下顯得尤為重要。緩和的加/減速度和可靠行人保護功能，使車輛駕駛既安全又省心。
（7）低速防碰撞功能 行駛途中，哪怕是一小會兒的分神也有可能導致事故的發生，引入低速防碰撞功能，使得以前在30km/h時速下時常發生的類似事故不再發生，LUX（4線）激光雷達檢測并分析前方的路況，車輛會在發生碰撞前自動停駛。