当前位置：首页 > news >正文

1.2 点云数据获取方式——激光雷达

news 来源：原创 2025/4/30 13:05:19

图1-2-1激光雷达

激光雷达（Light Detection and Ranging，LiDAR）是一种通过发射激光束并测量反射光来获取目标物体距离、速度、角度等信息的主动式遥感技术。它在自动驾驶、测绘、机器人等领域有着广泛应用。

激光雷达本质上是一种光探测与测距设备，通过向目标物体发射激光脉冲，然后接收从物体表面反射回来的激光信号，依据特定算法计算出目标物体的相关参数，从而实现对周围环境的感知与测绘。

1）原理

图1-2-2激光雷达原理图

激光雷达工作时，发射系统向目标物体发射激光脉冲，当激光脉冲遇到目标物体后会发生反射，反射光被接收系统捕获。通过精确测量激光脉冲从发射到接收的时间间隔（Time of Flight，ToF），结合光在空气中的传播速度（约为 299792458m/s ），利用公式d=c×Δt/2（d表示目标物体的距离，c为光速，Δt是激光脉冲往返的时间差），就能计算出目标物体与激光雷达之间的距离，从而获取目标的一个激光点数据。

然后，通过发射不同角度的脉冲，实现整个场景或目标的扫描，从而获得能够表征场景或目标表面几何信息的点云数据（包括三维空间位置、强度）。

图1-2-3激光点云扫描结果

2）发展历程

2.1. 早期探索与机械式扫描（1960-1990 年）

1961 年：休斯飞机公司推出COLiDAR Mark II，首台激光测距仪用于军事目标瞄准。

1970 年代：机械式 ** 三坐标测量机（CMM）** 诞生，逐点扫描精度达微米级，用于工业质检。

1980 年代：激光线扫描仪（第二代）出现，通过逐线扫描提升效率，但速度仍受限。

2.2. 三维激光扫描技术崛起（1990-2000 年）

1995 年：三维激光扫描仪（第三代）问世，采用面扫描技术，每秒可捕获百万级点云，精度 0.1mm。

1999 年：国际摄影测量与遥感学会（ISPRS）将激光扫描列为第四代测绘技术，推动数字城市建设。

2.3. 多平台与智能化发展（2000-2020 年）

2005 年：Velodyne HDL-64E 开启多线激光雷达时代，自动驾驶车辆通过旋转激光束生成高密度点云。

2015 年：固态激光雷达技术突破，Quanergy 的 **OPA（光学相控阵）** 实现 250 米测距，无机械部件寿命提升至 10 万小时。

2020 年：华为、大疆推出车载转镜式激光雷达，成本降至 500 美元以下，支持 L3 级自动驾驶。

2.4. 数字化与产业融合（2020 年至今）

2023 年：AI 驱动的点云处理软件（如 LiDAR360）实现自动化分类、去噪与建模，效率提升 80%。

2025 年：数字孪生技术成熟，激光点云与 BIM 结合，华西乐城医院通过 3D 扫描实现毫米级施工精度。

未来趋势：

多传感器融合：激光雷达 + 视觉 + IMU 提升复杂场景鲁棒性（如特斯拉 FSD 方案）。

芯片化：速腾聚创自研 SoC 芯片，将激光雷达体积缩小 50%，功耗降低 70%。

绿色技术：低功耗激光雷达、太阳能供电机载扫描仪推动可持续测绘。

3）分类

表1-2-1 按扫描方式进行激光雷达分类

种类	扫描方式	优势	劣势	原理
机械式	机械式	能够进行360°水平视场扫描，高于其他方式FOV；测距能力远；技术成熟度高。	调试、装配工艺复杂，生产周期长；成本下降困难；体积大；机械部件寿命短，不适合量产车。	雷达整体360°旋转扫描。
半固态	转镜	成本较低；功耗较小；体积较小；可靠性高，利于车规级量产。	机械部件寿命短；测距能力短。	收发模块不动，通过电机带动转镜旋转扫描。
半固态	MEMS	成本低；准确度高；体积较小。	MEMS材料对温度敏感，稳定性较差；测距能力短；依旧存在机械部件。	收发模块不动，通过MEMS微振镜旋转扫描，驱动方式有静电、电磁等。
固态	Flash	成本低；体积小；耐用性高。	探测距离和精度限制大；能耗高；抗干扰能力差。	类似于手电筒，短时间发射出一大片覆盖探测区域的激光，可进行图像绘制。
固态	OPA	测距能力远；体积小；分辨率高；耐用性高。	技术成熟度低；当前成本高。	采用多个光源组成阵列，通过往复控制各光源发射的相位差实现扫描效果。