第2章 激光雷达基础：工作原理、常见类型与点云数据

大家好，我是你们这门课的主讲工程师。今天咱们来聊聊激光雷达的基础知识。说实话，很多新手一上来就急着调算法、跑建图，结果连雷达发出来的点云是啥意思都搞不清楚。我当年也犯过这个错，后来吃了不少亏才补上这一课。

这一章，我会从最核心的原理讲起，带你搞懂激光雷达到底是怎么“看”世界的。然后聊聊市面上常见的几种雷达，最后再手把手教你解析点云数据格式。嗯，内容有点干，但都是硬货。

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，它就是通过发射激光束，然后测量激光从发射到返回的时间或角度，来算出目标物体的距离。

目前主流的测距方式有两种：TOF（飞行时间法）和三角测距法。这两种方法各有千秋，我分别讲讲。

2.1.1 TOF（飞行时间法）

TOF的原理非常直接：发射一束激光脉冲，打到物体上反射回来，接收器捕获到回波。记录下从发射到接收的时间差 Δt，然后乘以光速 c，再除以 2（因为光走了个来回），就得到了距离 d。

公式很简单：

d = (c × Δt) / 2

其中 c ≈ 3.0 × 10⁸ m/s。

TOF的优点很明显：测量距离远，几十米甚至上百米都没问题；精度高，误差通常在厘米级；受环境光影响小。我在做室外园区无人车项目时，用的就是TOF雷达，大太阳底下照样稳定输出。

但TOF也有缺点：成本高，因为需要高精度的计时芯片；对多回波处理要求高，比如遇到玻璃或者雨雾，容易产生噪点。

2.1.2 三角测距法

三角测距的原理稍微绕一点。它利用的是激光发射器、目标物体和接收器（通常是CMOS或CCD相机）之间构成的三角形几何关系。

具体来说：激光器以固定角度发射一束光，打到物体上形成光斑。接收器在另一个位置拍摄这个光斑。物体距离不同，光斑在接收器上的成像位置也不同。通过三角几何计算，就能得到距离。

三角测距的优点是：成本低，结构简单；近距离精度高，几米范围内可以做到毫米级。很多扫地机器人用的就是这种。

缺点也很致命：测量距离短，一般不超过10米；受环境光影响大，在强光下容易失效。我记得有一次帮朋友调试一个室内导航小车，用的三角测距雷达，结果窗户边阳光一照，点云直接炸了。

2.2 常见激光雷达类型

按扫描方式分，激光雷达主要有三类：单线、多线和固态。我一个个说。

2.2.1 单线激光雷达

单线雷达，顾名思义，只有一个激光发射器和接收器，通过旋转电机实现水平360°扫描。它输出的是一圈二维点云，只有x和y坐标，没有z轴信息。

单线雷达的优点是：便宜，几百到几千块；数据量小，处理起来快；适合2D SLAM。我最早入门SLAM时，用的就是RPLIDAR A1，几百块钱，跑个gmapping妥妥的。

缺点也很明显：没有高度信息，无法感知三维空间；容易漏掉障碍物，比如一个矮箱子，雷达扫过去可能完全没发现。

2.2.2 多线激光雷达

多线雷达，就是有多个激光收发对，同时发射和接收。常见的有16线、32线、64线，甚至128线。它通过多个不同俯仰角的激光束，实现三维空间扫描。

多线雷达的优点是：信息丰富，能获得三维点云；适合3D SLAM和自动驾驶。我参与过一个无人驾驶项目，用的就是Velodyne HDL-64E，64线雷达，一圈扫下来几十万个点，效果确实震撼。

缺点：贵，动辄几万甚至几十万；数据量大，对计算资源要求高；体积大，安装不方便。

类型	线数	典型代表	价格区间	适用场景
单线	1	RPLIDAR A1/A2	几百~几千	室内2D SLAM
多线	16/32/64/128	Velodyne、RoboSense	几万~几十万	自动驾驶、3D建图
固态	无旋转部件	Livox Horizon	几千~几万	机器人、无人机

2.2.3 固态激光雷达

固态雷达是近年来的新趋势。它没有旋转电机，而是通过光学相控阵（OPA）或微振镜（MEMS）来实现光束扫描。说白了，就是纯电子扫描，没有机械运动部件。

固态雷达的优点是：体积小，可以做得像火柴盒一样；寿命长，没有机械磨损；成本低，未来有望降到千元级。我最近在测试一款国产固态雷达，效果已经接近16线机械雷达了。

缺点：视场角有限，一般只有几十度，不像机械雷达能转360°；技术还在发展，稳定性有待验证。

2.3 点云数据格式

激光雷达输出的原始数据，就是点云。每个点包含三维坐标（x, y, z）和反射强度（intensity）。有些雷达还会输出时间戳、环号等信息。

常见的点云格式有：

• PCD（Point Cloud Data）：PCL库的原生格式，支持ASCII和二进制，可读性好。
• PLY（Polygon File Format）：支持顶点和面片，常用于三维模型。
• LAS/LAZ：测绘行业标准，支持分类、RGB等属性。
• BAG：ROS的rosbag记录格式，里面可以包含点云话题。

在实际开发中，我们最常用的是PCD格式。下面是一个简单的PCD文件示例：

# .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 5
HEIGHT 1
VIEWPOINT 0 0 0 1 0 0 0
POINTS 5
DATA ascii
0.1 0.2 0.3 100
0.4 0.5 0.6 200
0.7 0.8 0.9 150
1.0 1.1 1.2 80
1.3 1.4 1.5 255

你看，每个点就是一行，四个数字：x、y、z坐标和强度值。强度值范围一般是0-255，代表反射信号的强弱。白色物体反射强，黑色物体反射弱。

2.4 本章知识体系

为了让你更直观地理解本章内容，我画了一张结构图：

这张图把本章的核心内容串起来了。你从上往下看：先搞懂两种测距原理，再了解三种雷达类型，最后掌握点云格式。这样，你就有了一个完整的知识框架。

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