激光雷达的性能指标有哪些 激光雷达的测距方法有哪些

一、激光雷达的性能指标有哪些

激光雷达的主要性能参数有激光的波长、探测距离、FOV（垂直+水平）、测距精度、角分辨率、出点数、线束、安全等级、输出参数、IP防护等级、功率、供电电压、激光发射方式（机械/固态）、使用寿命等。

1、激光的波长：目前市场上三维成像激光雷达最常用的波长是905nm和1550nm。1550nm波长LiDAR传感器可以以更高的功率运行，以提高探测范围，同时对于雨雾的穿透力更强。905nm的主要优点是硅在该波长处吸收光子，而硅基光电探测器通常比探测1550nm光所需的铟镓砷（InGaAs）近红外探测器便宜。

2、安全等级：激光雷达的安全等级是否满足Class1，需要考虑特定波长的激光产品在完全工作时间内的激光输出功率，即激光辐射的安全性是波长、输出功率，和激光辐射时间的综合作用的结果。

3、探测距离： 激光雷达的测距与目标的反射率相关。目标的反射率越高则测量的距离越远，目标的反射率越低则测量的距离越近。因此在查看激光雷达的探测距离时要知道该测量距离是目标反射率为多少时的探测距离。

4、FOV：激光雷达的视场角有水平视场角和垂直视场角。如果是机械旋转激光雷达，则其水平视场角为360度。

5、角分辨率：一个是垂直分辨率，另一个是水平分辨率。水平方向上做到高分辨率其实不难，因为水平方向上是由电机带动的，所以水平分辨率可以做得很高。一般可以做到0.01度级别。垂直分辨率是与发射器几何大小相关，也与其排布有关系，就是相邻两个发射器间隔做得越小，垂直分辨率也就会越小。垂直分辨率为0.1~1度的级别。

6、出点数：每秒激光雷达发射的激光点数。激光雷达的点数一般从几万点至几十万点每秒左右。

7、线束：多线激光雷达，就是通过多个激光发射器在垂直方向上的分布，通过电机的旋转形成多条线束的扫描。多少线的激光雷达合适，主要是说多少线的激光雷达扫出来的物体能够适合算法的需求。理论上讲，当然是线束越多、越密，对环境描述就更加充分，这样还可以降低算法的要求。常见的激光雷达的线束有：16线、32线、64线等。

8、输出参数：障碍物的位置（三维）、速度（三维）、方向、时间戳（某些激光雷达有）、反射率

9、使用寿命：机械旋转的激光雷达的使用寿命一般在几千小时；固态激光雷达的使用寿命可高达10万小时。

10、激光发射方式：传统的采用机械旋转的结构，机械旋转容易导致磨损使得激光雷达的使用寿命有限。固态激光雷达主要由三类-Flash、MEMS、相控阵。Flash激光雷达只要有光源，就能用脉冲一次覆盖整个视场。随后再用飞行时间（ToF）方法接收相关数据并绘制出激光雷达周围的目标。MEMS激光雷达其结构相当简单，只要一束激光和一块反光镜。具体来说，激光射向这块类似陀螺一样旋转的反光镜就行，反光镜通过转动，可以实现对激光方向的控制。相控阵激光雷达利用独立天线同步形成的微阵列，相控阵可以向任何方向发送无线电波，完全省略了“旋转”这一步骤，只需控制每个天线发送信号间的时机或阵列，就能控制信号射向特定位置。

二、激光雷达的测距方法有哪些

就像大家所熟知的那样，路程=速度×时间，激光雷达的测距过程也离不开这个公式。在空间中，激光的飞行速度是已知的3×108m/s。现有的激光雷达测距方法有很多种，除了直接测量激光脉冲飞行时间的方式，还可以通过对发射激光信号的幅度、频率等参数进行调制来间接的获取目标的距离信息。

利用激光雷达进行距离测量，针对不同的应用场景，我们要对症下药。

1、“激光测距里的千里眼”——脉冲激光测距法

脉冲激光具有峰值功率大的特点，这使它能够在空间中传播很长的距离，所以脉冲激光测距法可以对很远的目标进行测量。很远是有多远呢？目前人类历史上最远的激光测量距离是地球和月亮之间的距离，他们采用的就是脉冲激光测距法。自2019年6月以来，我国天琴计划团队已经多次成功实现地月距离的测量，通过对脉冲飞行时间的精确计时，得到地月距离在351，000km到406，000km（椭圆轨道）之间波动。

脉冲激光测距是一种发展十分成熟的测距体制，不仅可以用来对远目标探测，还可以用在数公里甚至数十米测量场景下。目前的汽车自动驾驶中也大多采用这种方法，其测距精度可以达到厘米量级，这对大部分的应用场景已经足够。

2、“明察秋毫”的相位激光测距法

对那些对测距精度要求较高的应用场景，如“空间交汇对接”中最后的接近段等，厘米级的测距精度已经不能满足它们的要求，这时候需要用相位激光测距的方法来测量。

相位激光测距发射的是经过了调制的连续激光信号，通过测量回波信号与发射信号之间的相位差来确定目标的距离。与脉冲激光测距相比，相位式激光测距法有更高的测距精度，其测距精度可以达到毫米级。但是由于相位式测距发射的激光为连续波，这使得它的平均功率远低于脉冲激光的峰值功率，因而无法实现远距离目标的探测。我们生活中常用的手持式激光测距仪大多都是采用相位激光测距的方法。

3、“追着你测”的调频连续波激光测距法

如果目标是运动的，除了距离，我们还想知道目标的速度时，该怎么办呢？随着航天技术的发展，保证航天器能够安全的软着陆成为一个重要的问题。单次脉冲激光测距和相位测距法只能获得目标的距离信息，若要获得其速度至少需要两次测量结果并结合两次测量的时间间隔来计算。而这样计算出来的平均速度的精度远低于激光多普勒测速雷达的测速精度。

调频连续波激光测距方法可以解决这个问题，它不仅可以测距，还可以测速，因此可以应用于相对运动速度较高的目标测距。