激光雷达（LiDAR，Light Detection and Ranging）是一种通过发射激光束并分析反射信号来探测目标位置、距离和形态的主动遥感技术。其核心工作原理如下：

一、核心步骤

1. 激光发射

   • 激光器发射高频短脉冲激光束（通常波长：905nm/1550nm）。
   • 光束经旋转镜片/微振镜（MEMS）或光学相控阵引导扫描环境。

2. 光路传播与反射

   • 激光束撞击物体表面（如车辆、树木、路面）后部分能量原路反射。

3. 信号接收

   • 高灵敏度探测器（如APD雪崩二极管/SPAD单光子探测器）捕捉反射光子。
   • 记录激光从发射到返回的精确时间差 Δt。

4. 距离计算

   • 通过 飞行时间法（ToF, Time of Flight） 计算距离：
     距离 d = (c × Δt) / 2
     （c = 光速 ≈ 3×10⁸ m/s，因子2表示往返距离）

5. 空间定位

   • 结合激光发射角度（水平方位角 + 垂直俯仰角）和距离 d，通过球坐标系换算物体精确三维坐标：(x, y, z)。

6. 点云生成

   • 每秒百万级激光点扫描形成密集点云（Point Cloud），每个点包含三维坐标+反射强度信息。

二、关键技术类型

三、关键性能参数

• 测距精度：可达厘米级（如±2cm）
• 测距范围：汽车雷达通常50-300m（1550nm光源可达500m）
• 角分辨率：0.1°-0.4° 决定点云密度
• 扫描频率：5-50Hz（每秒扫描圈数）
• 点云速率：>1,000,000点/秒

四、典型应用场景

1. 自动驾驶：实时构建高精地图，障碍物检测（如Waymo定位精度<10cm）
2. 地形测绘：机载雷达生成DEM数字高程模型
3. 机器人导航：SLAM同步定位与建图
4. 智慧城市：基础设施三维建模
5. 工业检测：精密部件形变分析

五、技术挑战

• 环境影响：浓雾/雨雪导致信号衰减（1550nm穿透性优于905nm）
• 阳光干扰：强日光造成背景噪声（窄带滤光片是关键）
• 多路径反射：玻璃等物体导致的二次反射误差
• 功耗与成本：高端雷达单价>$1000，功耗>20W

典型案例：Velodyne VLS-128传感器通过128层激光器实现360°×40°视场角，0.1°分辨率，每秒采集960万个数据点，助力L5级自动驾驶系统感知200米外5cm大小的物体。现代解决方案如Luminar则结合1550nm光纤激光器与SPAD阵列，实现在雨雾天气下250米有效测距。