文章目录

  • 1. 激光雷达基本概念
    • 1.1 激光雷达特点
    • 1.2 激光雷达测距原理
      • 1.2.1 系统组成
      • 1.2.2 激光雷达测距原理
    • 1.3 常见的激光雷达
      • 1.3.1 机械旋转式激光雷达
      • 1.3.2 Velodyne HDL-64E
      • 1.3.3 固态激光雷达
      • 1.3.4 Flash型固态激光雷达
      • 1.3.5 相控阵固态激光雷达
      • 1.3.6 MEMS型固态激光雷达
      • 1.3.7 总览
    • 1.4 激光雷达性能指标
  • 2. 激光雷达点云（Point Cloud）
    • 2.1 激光雷达点云定义
    • 2.2 激光雷达点云表示方法
  • 3. 为什么要选择激光雷达？
    • 3.1 传感器之间的互补性
    • 3.2 不同级别自动驾驶系统的需求
  • 4. 激光雷达的标定
    • 4.1 激光雷达参数
    • 4.2 单线激光雷达
      • 4.2.1 γ\gammaγ侧偏角的标定
      • 4.2.2 α\alphaα俯仰角的标定
    • 4.3 多线激光雷达
      • 4.3.1 纸箱法
    • 4.4 相机与激光雷达联合标定
  • 参考文献
  • 声明

1. 激光雷达基本概念

1.1 激光雷达特点

激光探测及测距系统（Light Detection and Ranging,LiDAR）

  • 激光雷达是一种通过发射激光束探测目标的位置、速度等特征量 的雷达系统
  • 激光波段位于0.5μm-10μm，以光电探测器为接收器件，以光学望远镜为天线。

特点
• 角分辨率、距离分辨率高
• 抗干扰能力强
• 三维坐标、反射率
• 车体积小、质量轻

1.2 激光雷达测距原理

1.2.1 系统组成

1.2.2 激光雷达测距原理

TOF飞行时间法

  • 脉冲测距：通过测量激光脉冲在雷达和目标之间来回飞行时间获取目标距离的信息。d=c⋅Δt2d = \frac{{c \cdot \Delta t}}{2}d=2c⋅Δt​

  • 相位测距：通过测量被强度调制的连续波激光信号在雷达与目标之间来回飞行产生的相位差获得距离信息。d=c⋅Δφ4πfd = \frac{{c \cdot \Delta \varphi }}{{4\pi f}}d=4πfc⋅Δφ​

1.3 常见的激光雷达

1.3.1 机械旋转式激光雷达

    机械式激光雷达是指发射系统和接收系统存在宏观转动，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。

1.3.2 Velodyne HDL-64E

1.3.3 固态激光雷达

  • 严格意义上是指自身不存在任何移动部件的激光雷达，如Flash型激光雷达、相控阵激光雷达。
  • 近年来，一些非完全旋转的激光雷达也被统称为“固态激光雷达”，它们具备了固态激光雷达的一般性能特点，如分辨率高、有限水平FOV（前向而不是360°）等，但这些技术方案会有一些微小的移动部件，如MEMS型激光雷达。

1.3.4 Flash型固态激光雷达

  • 激光直接向各个方向漫射，一次记录整个场景。
  • 分辨率越高，激光之间干扰越强，精度降低。

1.3.5 相控阵固态激光雷达

  • 通过控制光源阵列中各光源发光时间差，合成具有特定方向的 主光束，实现对不同方向的扫描。
  • 精度高、体积小、生产成本低，但研发成本高。

1.3.6 MEMS型固态激光雷达

  • MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）激光雷达是指在机械旋转式激光雷达的基础上，采用MEMS微镜替代机械 式扫描单元进行扫描模式动态调整的激光雷达。
  • MEMS微镜指采用光学MEMS技术制造的，把微光反射镜与MEMS驱动器集成在一起的光学MEMS器件。

1.3.7 总览

激光雷达是当前高级别自动驾驶最主要的传感器之一，感知能力强。

1.4 激光雷达性能指标

    从传感器的角度，激光雷达的主要指标包括线束、出点数、精度、测量距离、垂直视场角、垂直角分辨率、水平视场角、水平角分辨率、出点数、通信接口等。

2. 激光雷达点云（Point Cloud）

2.1 激光雷达点云定义

    点云是激光雷达获取的三维场景信息的数据存储形式，不同于图像数据，点云由空间中一系列离散的点组成，并记录了这些点相对于激光雷达自身坐标系的三维坐标与反射率。