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激光雷達的性能指標有哪些 激光雷達的測距方法有哪些

本文章由注冊用戶 淺嘗不止— 上傳提供 2023-11-09 評論 0
摘要:激光雷達的優勢非常明顯,其探測的范圍更廣,且精度更高。但是在極端天氣或者煙霧環境下性能大大降低,而且由于其數據采集量大,價格也非常貴。其性能指標有波長、探測距離、FOV(垂直+水平)、測距精度、角分辨率、出點數、線束、安全等級、輸出參數、IP防護等級等,那么激光雷達的測距方法有哪些呢?一起到文中來看看吧!

一、激光雷達的性能指標有哪些

激光(guang)雷達的主要性能參數(shu)有激光(guang)的波長、探測距(ju)離、FOV(垂直(zhi)+水平)、測距(ju)精度、角分辨率(lv)、出(chu)點數(shu)、線束、安(an)全等(deng)級、輸出(chu)參數(shu)、IP防(fang)護等(deng)級、功率(lv)、供(gong)電(dian)電(dian)壓、激光(guang)發射(she)方式(shi)(機械/固態)、使用(yong)壽命等(deng)。

1、激光的波長:目前(qian)市(shi)場上三(san)維(wei)成像激光雷達最常用的(de)(de)(de)(de)波長(chang)是905nm和1550nm。1550nm波長(chang)LiDAR傳感器可以以更高(gao)的(de)(de)(de)(de)功率(lv)運行,以提高(gao)探測范圍(wei),同時對于雨霧的(de)(de)(de)(de)穿透力更強(qiang)。905nm的(de)(de)(de)(de)主(zhu)要優點是硅在該波長(chang)處吸收(shou)光子,而硅基(ji)光電探測器通常比探測1550nm光所需的(de)(de)(de)(de)銦(yin)鎵砷(InGaAs)近紅外探測器便(bian)宜(yi)。

2、安全等級:激光雷達的安全等級是否滿足Class1,需要考慮(lv)特定(ding)波(bo)(bo)長(chang)的激光產品在完全工作時間(jian)內的激光輸(shu)出功率,即激光輻(fu)射(she)的安全性是波(bo)(bo)長(chang)、輸(shu)出功率,和(he)激光輻(fu)射(she)時間(jian)的綜合作用的結果(guo)。

3、探測距離:激光雷達的(de)(de)測(ce)距(ju)(ju)(ju)與(yu)目(mu)標(biao)的(de)(de)反射率(lv)相關(guan)。目(mu)標(biao)的(de)(de)反射率(lv)越(yue)(yue)高則(ze)測(ce)量(liang)的(de)(de)距(ju)(ju)(ju)離(li)越(yue)(yue)遠,目(mu)標(biao)的(de)(de)反射率(lv)越(yue)(yue)低則(ze)測(ce)量(liang)的(de)(de)距(ju)(ju)(ju)離(li)越(yue)(yue)近。因此在查看激(ji)光雷達的(de)(de)探(tan)測(ce)距(ju)(ju)(ju)離(li)時要知道(dao)該測(ce)量(liang)距(ju)(ju)(ju)離(li)是目(mu)標(biao)反射率(lv)為多(duo)少(shao)時的(de)(de)探(tan)測(ce)距(ju)(ju)(ju)離(li)。

4、FOV:激光雷達的視場角(jiao)有水(shui)平視場角(jiao)和垂直視場角(jiao)。如果是機械旋(xuan)轉(zhuan)激光雷達,則其水(shui)平視場角(jiao)為360度。

5、角分辨率:一個是(shi)垂直分(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv),另一個是(shi)水(shui)(shui)平分(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)。水(shui)(shui)平方向(xiang)上做(zuo)到高(gao)分(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)其實不難,因為水(shui)(shui)平方向(xiang)上是(shi)由(you)電機帶動的,所以水(shui)(shui)平分(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)可(ke)以做(zuo)得很高(gao)。一般可(ke)以做(zuo)到0.01度(du)級別。垂直分(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)是(shi)與發(fa)射(she)器幾何大小(xiao)相(xiang)關(guan),也與其排布有關(guan)系(xi),就是(shi)相(xiang)鄰兩個發(fa)射(she)器間隔做(zuo)得越小(xiao),垂直分(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)也就會越小(xiao)。垂直分(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)為0.1~1度(du)的級別。

6、出點數:每秒(miao)激光(guang)雷達(da)(da)發(fa)射的(de)激光(guang)點數。激光(guang)雷達(da)(da)的(de)點數一般從幾萬(wan)(wan)點至幾十萬(wan)(wan)點每秒(miao)左右。

7、線束:多線(xian)激(ji)光(guang)雷(lei)(lei)達(da)(da),就是通過多個激(ji)光(guang)發射器(qi)在垂直方向上的(de)分布,通過電機的(de)旋轉形成多條(tiao)線(xian)束的(de)掃描(miao)(miao)。多少(shao)(shao)線(xian)的(de)激(ji)光(guang)雷(lei)(lei)達(da)(da)合適,主要(yao)是說多少(shao)(shao)線(xian)的(de)激(ji)光(guang)雷(lei)(lei)達(da)(da)掃出來的(de)物體能夠(gou)適合算(suan)法的(de)需求(qiu)。理論上講,當然是線(xian)束越(yue)多、越(yue)密(mi),對環境描(miao)(miao)述就更加充(chong)分,這樣還可以降低算(suan)法的(de)要(yao)求(qiu)。常見的(de)激(ji)光(guang)雷(lei)(lei)達(da)(da)的(de)線(xian)束有:16線(xian)、32線(xian)、64線(xian)等。

8、輸出參數:障礙物的位置(三維)、速度(du)(三維)、方向(xiang)、時間戳(chuo)(某(mou)些(xie)激光雷達有)、反射率(lv)

9、使用壽命:機械旋轉的激光雷達(da)的使用壽命一般在幾千小(xiao)時;固(gu)態激光雷達(da)的使用壽命可高達(da)10萬小(xiao)時。

10、激光發射方式:傳統的(de)(de)采用機械(xie)旋(xuan)轉(zhuan)的(de)(de)結(jie)(jie)構,機械(xie)旋(xuan)轉(zhuan)容易(yi)導致磨損使得激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)雷達(da)(da)(da)的(de)(de)使用壽(shou)命(ming)有限。固態激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)雷達(da)(da)(da)主要(yao)由三類(lei)(lei)-Flash、MEMS、相(xiang)控(kong)陣(zhen)。Flash激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)雷達(da)(da)(da)只要(yao)有光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)源,就能用脈沖一次覆蓋整個(ge)視場。隨(sui)后再用飛行(xing)時間(jian)(ToF)方法接收相(xiang)關數據(ju)并繪(hui)制(zhi)(zhi)出激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)雷達(da)(da)(da)周圍(wei)的(de)(de)目標。MEMS激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)雷達(da)(da)(da)其結(jie)(jie)構相(xiang)當簡(jian)單,只要(yao)一束激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)和一塊(kuai)反光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)鏡。具體(ti)來說(shuo),激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)射向這塊(kuai)類(lei)(lei)似陀(tuo)螺(luo)一樣旋(xuan)轉(zhuan)的(de)(de)反光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)鏡就行(xing),反光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)鏡通(tong)過轉(zhuan)動,可以(yi)實現對(dui)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)方向的(de)(de)控(kong)制(zhi)(zhi)。相(xiang)控(kong)陣(zhen)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)雷達(da)(da)(da)利(li)用獨立(li)天線同(tong)步形成的(de)(de)微陣(zhen)列,相(xiang)控(kong)陣(zhen)可以(yi)向任何方向發送無線電(dian)波,完全省略(lve)了“旋(xuan)轉(zhuan)”這一步驟,只需控(kong)制(zhi)(zhi)每個(ge)天線發送信號(hao)間(jian)的(de)(de)時機或陣(zhen)列,就能控(kong)制(zhi)(zhi)信號(hao)射向特定位置。

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二、激光雷達的測距方法有哪些

就像大家所熟知的(de)(de)(de)那(nei)樣,路(lu)程=速(su)度×時間(jian),激光雷達的(de)(de)(de)測(ce)距過(guo)程也離(li)不開這個公式。在空間(jian)中,激光的(de)(de)(de)飛行(xing)(xing)速(su)度是已知的(de)(de)(de)3×108m/s。現有的(de)(de)(de)激光雷達測(ce)距方法有很多種,除了直接測(ce)量激光脈沖飛行(xing)(xing)時間(jian)的(de)(de)(de)方式,還可以通(tong)過(guo)對發射激光信號的(de)(de)(de)幅(fu)度、頻率等參數進行(xing)(xing)調制來間(jian)接的(de)(de)(de)獲取目(mu)標的(de)(de)(de)距離(li)信息。

利用激光雷達進行距離測量,針對不同的應(ying)用場景(jing),我(wo)們要對癥下藥。

1、“激光測距里的千里眼”——脈沖激光測距法

脈(mo)沖(chong)(chong)激(ji)光具有(you)峰值功(gong)率大的(de)特(te)點(dian),這使(shi)它能夠在空間中傳(chuan)播很長的(de)距(ju)(ju)離(li)(li)(li),所以(yi)(yi)(yi)脈(mo)沖(chong)(chong)激(ji)光測距(ju)(ju)法可以(yi)(yi)(yi)對很遠(yuan)的(de)目標進(jin)行(xing)測量。很遠(yuan)是有(you)多遠(yuan)呢?目前人類(lei)歷史上最遠(yuan)的(de)激(ji)光測量距(ju)(ju)離(li)(li)(li)是地球和月(yue)(yue)亮之(zhi)間的(de)距(ju)(ju)離(li)(li)(li),他們采用的(de)就是脈(mo)沖(chong)(chong)激(ji)光測距(ju)(ju)法。自(zi)2019年6月(yue)(yue)以(yi)(yi)(yi)來,我國(guo)天(tian)琴(qin)計(ji)劃團(tuan)隊已經(jing)多次成功(gong)實(shi)現地月(yue)(yue)距(ju)(ju)離(li)(li)(li)的(de)測量,通過對脈(mo)沖(chong)(chong)飛行(xing)時(shi)間的(de)精確計(ji)時(shi),得到地月(yue)(yue)距(ju)(ju)離(li)(li)(li)在351,000km到406,000km(橢(tuo)圓軌(gui)道(dao))之(zhi)間波動。

脈沖激(ji)光(guang)測(ce)距(ju)(ju)是一(yi)種(zhong)發展十(shi)分成(cheng)熟的測(ce)距(ju)(ju)體制,不僅(jin)可以用來對遠目標(biao)探測(ce),還可以用在數公里甚至數十(shi)米測(ce)量場(chang)景(jing)(jing)下。目前的汽(qi)車自動駕駛中也大(da)多采用這種(zhong)方法,其(qi)測(ce)距(ju)(ju)精(jing)度可以達到厘(li)米量級,這對大(da)部分的應用場(chang)景(jing)(jing)已經足夠。

2、“明察秋毫”的相位激光測距法

對(dui)那些對(dui)測(ce)(ce)距精度(du)要求較高的(de)應用場景,如(ru)“空間交匯對(dui)接(jie)”中最后的(de)接(jie)近段等,厘米(mi)級的(de)測(ce)(ce)距精度(du)已經(jing)不能滿足它們的(de)要求,這時候(hou)需要用相位激(ji)光測(ce)(ce)距的(de)方法來測(ce)(ce)量。

相位(wei)激(ji)(ji)(ji)光(guang)測距(ju)(ju)發射的(de)(de)(de)(de)是經(jing)過(guo)了(le)調制的(de)(de)(de)(de)連續激(ji)(ji)(ji)光(guang)信(xin)(xin)號,通(tong)過(guo)測量回波(bo)信(xin)(xin)號與(yu)發射信(xin)(xin)號之間的(de)(de)(de)(de)相位(wei)差來確定(ding)目標(biao)的(de)(de)(de)(de)距(ju)(ju)離(li)。與(yu)脈(mo)(mo)沖(chong)激(ji)(ji)(ji)光(guang)測距(ju)(ju)相比,相位(wei)式激(ji)(ji)(ji)光(guang)測距(ju)(ju)法有更(geng)高的(de)(de)(de)(de)測距(ju)(ju)精(jing)(jing)度,其(qi)測距(ju)(ju)精(jing)(jing)度可(ke)以達到(dao)毫米級(ji)。但是由于(yu)相位(wei)式測距(ju)(ju)發射的(de)(de)(de)(de)激(ji)(ji)(ji)光(guang)為連續波(bo),這使得它的(de)(de)(de)(de)平均功率遠(yuan)低于(yu)脈(mo)(mo)沖(chong)激(ji)(ji)(ji)光(guang)的(de)(de)(de)(de)峰(feng)值功率,因而無法實現遠(yuan)距(ju)(ju)離(li)目標(biao)的(de)(de)(de)(de)探測。我們生活(huo)中常用的(de)(de)(de)(de)手持式激(ji)(ji)(ji)光(guang)測距(ju)(ju)儀大多(duo)都是采用相位(wei)激(ji)(ji)(ji)光(guang)測距(ju)(ju)的(de)(de)(de)(de)方法。

3、“追著你測”的調頻連續波激光測距法

如果目標(biao)(biao)是運動的(de)(de),除了距離(li),我們還想知道(dao)目標(biao)(biao)的(de)(de)速度(du)時,該怎么辦呢?隨著航(hang)天技術的(de)(de)發(fa)展,保證(zheng)航(hang)天器能夠(gou)安全的(de)(de)軟著陸成為一個(ge)重要的(de)(de)問題。單次脈沖激光測距和相(xiang)位(wei)測距法只能獲(huo)得目標(biao)(biao)的(de)(de)距離(li)信息,若要獲(huo)得其速度(du)至(zhi)少需要兩次測量結(jie)(jie)果并(bing)結(jie)(jie)合兩次測量的(de)(de)時間間隔(ge)來計(ji)算。而這樣計(ji)算出來的(de)(de)平均速度(du)的(de)(de)精(jing)度(du)遠(yuan)低(di)于激光多普勒測速雷達(da)的(de)(de)測速精(jing)度(du)。

調頻連續波(bo)激光測距方法可以(yi)解決這個問題,它不僅可以(yi)測距,還可以(yi)測速,因此可以(yi)應用于相對運動速度較高的目標測距。

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