1.激光雷达基础分析
1)激光雷达是将探测信号(激光束)发射到被测目标，然后测量反射或散射信号的到达时间、强度等参数，以确定目标的距离和方向 雷达系统具有运动状态和表面光学特性。 2)由于激光波长短，准直度高，激光雷达性能优异:角分辨率和距离分辨率高，抗干扰能力强，可获得各种目标图像信息(深度、反射率等)。)，体积小，质量轻。
激光雷达一般由发射模块、接收模块、扫描模块和控制模块购买； 1)发射模块:激光，发射光学系统 2)接收模块:接收光学系统、光学滤光装置、光电探测器 3)扫描模块：通过电机、微谐振镜、相控阵等形式改变激光束的空间投影方向；（Flash扫描模块不包括在方案中) 4)控制模块：完成激光发射模块、接收模块和扫描模块的控制，以及激光雷达数据的处理和外部系统的数据传输；
2.激光雷达分类
激光雷达可分为单线束激光雷达和多线束激光雷达；单线束激光雷达为2D激光雷达；多线束激光雷达分为2.5D和3D激光雷达； 1）2D激光雷达 单线束激光雷达扫描一次只产生一条扫描线，数据为2D数据仅在平面上扫描，结构简单，距离测量速度快，系统稳定可靠。然而，二维激光雷达不能完成复杂的道路地形环境，在重建驾驶环境时容易出现数据扭曲和虚假报告。 2）2.5D激光雷达 2.5D激光雷达和3D激光雷达最大的区别在于激光雷达的垂直视野，前者的垂直视野一般不超过10°，后者可达到30°甚至40°以上； 3）3D激光雷达 可获得环境深度信息，准确发现障碍物，构建可行驶区域，丰富的点云数据可获得车道、路边等道路要素，也可获得非结构化道路障碍物和可行驶区域、行人和车辆、交通灯、交通标志等丰富信息。 
表1. 对比单线束和多线束激光雷达的特性
激光雷达可分为机械旋转激光雷达、混合车载激光雷达和固体激光雷达；
2.2.1 机械旋转激光雷达 激光扫描的车载激光雷达通过机械旋转实现；激光发射部件在垂直方向排列成激光源线阵，可通过透镜在垂直表面产生不同方向的激光束；在步进电机的驱动下，垂直表面的激光束从线到表面，通过旋转扫描形成多个激光表面，实现探测区域的3D扫描； 供应商代表:威力登(美国) 优点：拥有360°相对测量精度较高的视角； 缺点:线束越高，体积越大；价格昂贵，旋转部件可靠性低；
2.2.2 混合激光雷达（MEMS） 微机电系统（MEMS）结合振镜形成MEMS振动器通过振动器旋转完成激光扫描，其发射系统结构如下图所示，驱动电路驱动激光器产生激光脉冲MEMS振动镜旋转，激光在旋转振动镜的反射下实现扫描，通过发射光学单元直射； 图1. MEMS激光雷达工作原理示意图
供应商代表： 外国供应商：Luminar 、 Innoviz 以及Infineon；国内：速腾聚创 优点： 1）MEMS微振镜相对成熟，可以实现固态激光扫描(只有微振动)，成本低，精度高，可以重点扫描需要识别的物体，落地快； 2)传感器可以动态调整扫描模式，聚焦特殊物体，收集更远更小物体的细节并识别； 缺点： 1)未解决接收端问题，光路复杂，仍有微振动，影响整个激光雷达部件的使用寿命，激光扫描受微振动镜面积限制，扫描范围与其他技术路线有一定差距； 2)激光反射，反射过程中激光损失较大，导致回波信噪比低。
2.2.3 固体激光雷达（OPA和Flash） 全固态车载激光雷达完全取消了机械扫描结构，水平和垂直式实现了水平和垂直方向的激光扫描；与保留微动机械结构相比MEMS激光电子化更彻底； 目前，全固态激光雷达主要包括光学相控阵（OPA）车载激光雷达和面阵闪光（Flash）车载激光雷达； 供应商代表：Quanergy ，ouster，Innoviz
相控阵（OPA）激光雷达： 1）相控激光发射器由若干发射接收单元组成的一个矩形阵列，通过改变阵列中不同单元发射光线的相位差，可以达到调节 射波角度和方向的目的； 2)激光光源通过光分束器进入光波导阵列，通过外部控制改变光波相位，利用光波导之间的光波相位差实现光束扫描，其原理类似于多缝干扰。 3)光波导阵列中的每个波导相当于一个光发射源，每个光发射源相当于多缝干扰中的狭缝。光在空间中传播和干扰的结果是由于干扰的加强，光在某一方向集中，在其他方向减弱，从而改变光束的传播方向，实现扫描。 优点： 1)结构简单，尺寸小； 2）标定简单 - 机械激光雷达光学结构固定，无需车辆往往需要精确调整位置和角度；固态激光雷达可通过软件调整，降低校准难度； 3）扫描速度快，扫描精度高 - 扫描速度取决于所有材料的电子光学特性； 4）可控性好 - 光束指向完全由电信号控制，可以在允许的角度范围内任意指向； 5)多目标监控 - 一个相控阵面可分为多个小模块，每个模块可同时锁定多个监控目标； 缺点： 1)扫描角度有限 2）旁瓣问题 - 除中央明纹外，光栅衍射还会形成其它明纹，导致激光雷达在最大功率外形成侧瓣，分散激光能量。 3)加工难度大 - 光学相控阵列要求阵列单元的尺寸不得大于半波长。一般来说，激光雷达的工作波长约为1微米，因此阵列单元的尺寸必须大于500nm 4)接收面大，信噪比差大 - 固态激光雷达需要整个接收面，因此会引入更多的环境光噪声，增加扫描分析的难度；
Flash激光雷达 1)采用类似相机的工作模式，感光元件不同于普通相机，每个像素点可记录光子飞行时间信息； 2）Flash该类型属于非扫描激光雷达运行时直接发射大量覆盖探测区域的激光，然后通过高灵敏度接收器阵列计算每个像素对应的距离信息，绘制周围环境； 优点： Flash类型的激光束直接向各个方向漫射，只要闪光就能照亮整个场景，从而快速记录环境信息，避免扫描过程中目标或激光雷达运动引起的运动畸变。 缺点： 1）Flash 该技术已商业化，但视角有限，扫描速度低； 2)探测距离小，探测目标距离过大时返回的光子数有限，导致探测精度降低，目标方向无法准确感知。
3.车载激光雷达的关键参数
1） 视角包括水平视野和垂直视野 2)分辨率包括水平分辨率和垂直分辨率 a、实现高分辨率并不难，因为水平方向是由电机驱动的，所以水平分辨率可以做得很高。目前，国内外激光雷达制造商的产品水平分辨率为 0.1 度。 b、垂直分辨率与发射器的几何大小和排列有关，即两个相邻发射器之间的间隔越小，垂直分辨率越小。 增加垂直分辨率的方法(机械激光雷达): a、改变激光发射器和接收器的排列方式：排列越密，垂直分辨率就越小。 b、通过多个 16 线不增加单个激光雷达垂直分辨率的情况下，线激光雷达耦合也能达到整体降低垂直分辨率的效果。 3）测距范围 4）距离精度 5）刷新频率 6）扫描频率 - 1s内雷达扫描了多少次？ 7）激光波长 - 目前905比较常见nm和1550nm
4.解释车载激光雷达的目标特征
激光雷达在自动驾驶中的作用与相机相似。从某种角度来看，激光雷达也是一种视觉传感器；但与相机相比，它也有其独特的优势： 1)完全消除光的干扰 无论是白天还是黑夜，树影斑驳的林荫道，还是光线变化迅速的隧道出口，都不会干扰激光雷达； 2)激光雷达可以轻松获取三维信息，摄像头相对困难； 3)激光雷达的有效距离远于相机 例子:目前LKA功能一般要求车速60~70km/h只有这样我们才能正常工作。为什么？由于低速视觉取样点不足，拟合车道线精度低，激光雷达的有效距离一般是视觉系统的4-5倍，有效取样点多。当速度较低时，车道线的检测精度远高于视觉系统； 4）激光雷达可以解决近距离的横向视觉盲区问题； 5）车辆低速状态下，在目标物的识别和分类方面，激光雷达要优于摄像头； 6)点云转换需求计算能力低；直接通过点云绘制密度高，输出可通过的空间，无需二次转换；
5.车载激光雷应用面临的挑战和发展趋势
1)高成本几乎是大规模推广车载激光雷达的最大障碍。 2)车规级量产困难 - 为实现激光雷达的大规模生产，需要满足性能、环境适应性、可靠性、产品一致性等要求，供应商需要建立标准化、自动化的装配生产线。此外，车载激光雷达车辆等级的有效性证方式也尚未有定论。 3）气候环境影响车载激光雷达的探测光束，受大气吸收、散射、折射效应的影响。 a、智能驾驶汽车中的激光雷达一般安装在汽车顶部或嵌于车身四周，较低的安装高度使得大气中某些气体分子和悬浮粒子引起的回波缩减效应较大，从而造成激光雷达探测器的接收效果变差。 b、在雨、雾、冰雪等恶劣天气下，空中的悬浮物会对激光发射、反射以及检测等过程产生不良影响，造成激光雷达探测范围减小、检测精度降低。
1）固态激光雷达是应用趋势，既可降成本又符合车载需求。 2）车载激光雷达将日趋智能化 车载激光雷达可能将作为整个网络中的节点，不仅仅专属于智能车，还能合理应答网络终端命令调整自身工作模式，从而实现软硬件解耦，更加高效灵活地完成感知任务； 3）多传感器数据融合 多传感器冗余配置和信息融合将突破单一传感器的局限性，发挥多传感器的联合优势，提高系统可靠性和鲁棒性，扩展系统的时间和空间覆盖率，更加准确和全面地感知环境。 4）车载激光雷达算法优化和封装 智能驾驶场景的复杂化和多样性造成了激光雷达应用算法的多元性和特异性，为了便于移植、提高开发效率，对典型算法进行优化和封装，将其作为成熟的模块提供给研发者调用是当下亟待解决的问题。
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