第2章：激光雷达基础

大家好，我是这门课的主讲。今天咱们聊聊激光雷达——这个在SLAM领域里最核心的传感器之一。

说实话，我最早接触激光雷达是在2016年，那时候一个16线激光雷达要十几万，现在想想真是天价。但技术发展快啊，现在几千块就能买到不错的固态雷达了。好，不扯远了，咱们直接进入正题。

2.1 激光雷达工作原理

激光雷达，英文叫LiDAR（Light Detection And Ranging）。说白了，就是通过发射激光，测量激光从发射到返回的时间，从而计算出目标的距离。

目前主流的测距原理有两种：TOF（飞行时间法）和三角测距法。

2.1.1 TOF测距原理

TOF的原理非常简单：

距离 = 光速 × 飞行时间 / 2

激光发射器发出一束激光脉冲，打到目标后反射回来，被接收器捕获。我们记录下这个时间差Δt，乘以光速c，再除以2（因为光走了来回），就得到了距离。

我在项目中遇到过一个问题：TOF雷达在强光环境下容易失效。为什么？因为太阳光里也包含近红外成分，会干扰接收器。后来我们加了窄带滤光片，效果好了很多。

2.1.2 三角测距原理

三角测距是另一种思路。它不测时间，而是测角度。

激光器发射一束光，打到目标上形成光斑。这个光斑被一个CMOS相机拍摄到。激光器、相机、目标点三者构成一个三角形。已知激光器和相机的基线长度B，以及光斑在图像上的偏移量Δx，就可以通过三角公式计算出距离。

距离 = B × f / Δx

其中f是相机焦距。

嗯，这里要注意：三角测距的精度和距离成反比。目标越远，Δx越小，误差越大。所以三角测距雷达一般只适合近距离（<10米）场景。

2.1.3 两种方案对比

对比项	TOF	三角测距
测距范围	远（可达200m+）	近（通常<10m）
精度	厘米级，随距离变化小	近距离毫米级，远距离快速下降
抗环境光	较好（加滤光片后）	较差
成本	高	低
典型产品	Velodyne、禾赛、速腾	RPLIDAR、Slamtec

2.2 点云数据格式

激光雷达采集到的数据，我们叫它点云。每个点包含三维坐标(x, y, z)和反射强度(intensity)。

最常见的点云格式有几种，我给大家梳理一下：

2.2.1 PCD格式

PCD是Point Cloud Data的缩写，由PCL库推广使用。它的结构很清晰：

# .PCD v0.7 - Point Cloud Data file format
VERSION 0.7
FIELDS x y z intensity
SIZE 4 4 4 4
TYPE F F F F
COUNT 1 1 1 1
WIDTH 640
HEIGHT 1
POINTS 640
DATA ascii
0.123 0.456 1.789 128
0.234 0.567 1.890 200
...

我个人习惯用PCD格式做中间存储，因为它兼容性好，PCL库直接读写。

2.2.2 LAS/LAZ格式

这是测绘行业的标配格式。LAS是二进制格式，LAZ是它的压缩版。如果你做室外大场景建图，最后输出给GIS系统，大概率要用LAS格式。

2.2.3 ROS中的点云消息

在ROS里，点云用sensor_msgs::PointCloud2消息传递。它的结构是：

Header header
PointField[] fields  # x, y, z, intensity, ring, time等
uint32 height        # 1表示无序点云
uint32 width         # 点的数量
uint8[] data         # 二进制数据
uint32 point_step    # 每个点的字节数
uint32 row_step      # 每行的字节数

2.3 主流激光雷达产品介绍

市面上的激光雷达产品很多，我按应用场景给大家分个类：

2.3.1 机械旋转式激光雷达

这类雷达通过电机带动激光收发模块旋转，实现360°扫描。线数从16线到128线不等。

• Velodyne（威力登）：老牌厂商，VLP-16（16线）是经典产品，很多高校实验室都在用。优点是稳定，缺点是贵。
• 禾赛科技：国产之光，Pandar系列性能很强。Pandar64在自动驾驶领域用得很多。
• 速腾聚创：RS-LiDAR系列，性价比不错。RS-16是很多机器人公司的入门选择。

2.3.2 固态激光雷达

没有旋转部件，靠光学相控阵或MEMS微振镜实现扫描。体积小、寿命长、成本低。

• Livox（览沃）：大疆旗下，Mid-40和Horizon系列。非重复扫描模式很有意思，能覆盖更大的视场角。
• Ouster：OS系列，数字激光雷达，每个点还包含信号质量信息。

2.3.3 单线激光雷达

只扫描一个平面，常用于室内导航和避障。

• 思岚科技（Slamtec）：RPLIDAR系列，三角测距，性价比极高。A1、A2、S1我都用过，做室内建图完全够用。
• 北醒光子：TF系列，单点测距模块，适合做避障传感器。

2.4 本章知识体系

下面这张图总结了本章的核心内容，我画成了SVG，方便大家理解：

这张图把本章的三个核心模块串起来了。你想想看，搞懂工作原理，你才知道怎么选雷达；掌握数据格式，你才能正确处理数据；了解产品，你才能做工程落地。三者缺一不可。

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