1. 激光雷达概述
1.1 激光雷达工作原理
激光雷达（LiDAR，Light Detection And Ranging）通过发射激光束并接收反射信号来测量目标距离与速度。其核心原理分为两大类：飞行时间法（TOF）与调频连续波法（FMCW）。
1.1.1 飞行时间法（TOF）
TOF 激光雷达发射短脉冲激光，测量激光从发射到返回的时间差 \(\Delta t\)，利用光速 \(c\) 计算距离：
\[ d = \frac{c \cdot \Delta t}{2} \]
- 优点：技术成熟、成本较低、探测距离远（可达200m+）。
- 缺点：易受环境光干扰，多路径效应影响精度，无法直接测量速度。
- 典型应用：机械式激光雷达（如Velodyne HDL-64）、部分混合固态雷达。
1.1.2 调频连续波法（FMCW）
FMCW 激光雷达发射频率随时间线性变化的连续激光，通过发射信号与回波信号的频率差（拍频）计算距离与速度：
- 距离测量：利用频率差 \(\Delta f\) 与调制斜率 \(S\) 的关系：\(d = \frac{c \cdot \Delta f}{2S}\)。
- 速度测量：利用多普勒频移直接获取径向速度。
- 优点：抗干扰能力强（环境光、多雷达互扰），可直接测速，灵敏度高。
- 缺点：技术复杂、成本高、对激光器线性度要求苛刻。
- 典型应用：Aeva、Mobileye 下一代激光雷达。
1.2 激光雷达分类
根据扫描结构与运动方式，激光雷达可分为三类：
| 类型 | 结构特点 | 代表产品 | 优缺点 |
|---|---|---|---|
| 机械式 | 激光器与接收器整体旋转，通过电机带动扫描 | Velodyne HDL-64、Hesai Pandar | 360°水平视场角，但体积大、寿命短、成本高 |
| 固态 | 无机械旋转部件，采用光学相控阵（OPA）或闪光（Flash） | Quanergy S3、LeddarTech | 体积小、可靠性高，但视场角受限（通常<120°） |
| 混合固态 | 微振镜（MEMS）或转镜实现扫描，内部有微小运动部件 | Luminar Iris、RoboSense M1 | 平衡性能与成本，视场角适中（120°左右），量产潜力大 |
1.3 激光雷达关键参数
以下参数直接影响感知系统的点云质量与算法设计：
- 线数（Channels）：激光雷达垂直方向上的激光束数量。常见16线、32线、64线、128线。线数越高，垂直角分辨率越细，但数据量也越大。
- 视场角（FOV）：
- 水平FOV：机械式可达360°，固态/混合固态通常为90°~120°。
- 垂直FOV：通常为15°~45°，如Velodyne HDL-64为26.9°。
- 角分辨率：相邻激光束之间的角度间隔。水平角分辨率由旋转速度与脉冲频率决定，垂直角分辨率由线束间距决定。例如，128线雷达垂直角分辨率可达0.1°。
- 测距精度：单点距离测量的误差范围。TOF雷达通常为±2cm~±5cm，FMCW可达±1cm以内。
- 点云密度：单位时间内产生的点云数量（点/秒）。计算公式：
\[ \text{点云密度} = \text{线数} \times \text{水平采样点数} \times \text{帧率} \]
例如，64线雷达，每圈水平采样2000点，10Hz帧率，则点云密度为 \(64 \times 2000 \times 10 = 1.28 \times 10^6\) 点/秒。
工程提示：在自动驾驶感知系统中，线数与点云密度决定了目标检测的远距离分辨率与近场覆盖能力。例如，128线雷达在100m处垂直分辨率约为0.17m，可有效检测行人；而16线雷达在相同距离下垂直分辨率约1.4m，容易漏检。