激光雷达光学系统（激光雷达的光学元件）

激光雷达光学系统很多人对这个问题比较感兴趣，下面让我们一起来看激光雷达原理，希望可以帮助到你。

激光雷达光学系统

激光雷达原理

激光雷达主要应用了激光测距的原理。

激光雷达，也称光学雷达（LIght Detection And Ranging）是激光探测与测距系统的简称，它通过测定传感器发射器与目标物体之间的传播距离，分析目标物体表面的反射能量大小、反射波谱的幅度、频率和相位等信息，从而呈现出目标物精确的三维结构信息。

激光雷达测距方法

目前主要以飞行时间（time of flight）法为主，利用发射器发射的脉冲信号和接收器接受到的反射脉冲信号的时间间隔来计算和目标物体的距离。

也有使用相干法，即为调频连续波（FMCW）激光雷达发射一束连续的光束，频率随时间稳定地发生变化。

由于源光束的频率在不断变化，光束传输距离的差异会导致频率的差异，将回波信号与本振信号混频并经低通滤波后，得到的差频信号是光束往返时间的函数。

调频连续波激光雷达不会受到其他激光雷达或太阳光的干扰且无测距盲区；还可以利用多普勒频移测量物体的速度和距离。调频延续波LiDAR概念并不新颖，但是面对的技术挑战不少，例如发射激光的线宽限制、线性调频脉冲的频率范围、线性脉冲频率变化的线性度，以及单个线性调频脉冲的可复制性等。

简述激光雷达的结构原理分类及特点？

激光雷达发射器先发射激光，经过物体（ O b j e c t ObjectObject ）反射后被 C M O S CMOSCMOS （一种图像传感器，即图中 I m a g e r ImagerImager ）捕捉，设捕捉点为 x 2 x_2x
2

。现过焦点 O OO 作一条虚线平行于入射光线，交 I m a g e r ImagerImager 于 x 1 x_1x
1

，由于 β \betaβ 已知，所以可得到 x 1 x_1x
1

的位置。记 x 1 , x 2 x_1,x_2x
1

,x
2

之间距离为 x xx，易得左右两个三角形相似，所以有：q f = s x \frac{q}{f}=\frac{s}{x}
f
q

=
x
s

，又有 s i n β = q d sin\beta=\frac{q}{d}sinβ=
d
q

，二者联立可得 d = s f x s i n β d=\frac{sf}{xsin\beta}d=
xsinβ
sf

.
这样就可得到物体到激光发射器的距离 d dd 了，激光雷达将这样的发射器和接收器组装在一起，经过机械旋转360°即可得到一周障碍物的距离。

TOF测距原理
由三角测距的计算公式不难发现，当距离 d dd 很大时，每变化 δ d \delta dδd 引起的 x xx 变化很小，导致精度下降，这就限制了测量范围。
而TOF（Time of flight）原理克服了测量距离这一难点，并且提高了精度：

TOF原理十分简单，就是利用光速测距。首先激光发射器发射激光脉冲，计时器记录发射时间；脉冲经物体反射后由接收器接受，计时器记录接受时间；时间差乘上光速即得到距离的两倍。
TOF原理看似简单，但是实现起来确有很多难点：
计时问题：由于光速过快，测量时间会变得很短。据网上数据得：1cm的测量距离对应65ps的时间跨度。这需要计时器的精确度很高。
脉冲问题：发射器需要发射高质量的脉冲光，接收器接受脉冲光的时候需要尽量保持信号不失真。
对于同一距离的物体测距时，得到的回波信号可能不一样，如下图的黑白纸，这就需要特殊的处理方式来处理。

但总的来说TOF原理的精度远远超过三角测距，只是由于诸多难点导致成本略高。像大一立项时因为没钱，所以用的三角测距的思岚A1，精度不是很高。而ROBOCON战队里的sick激光雷达就是TOF原理，精度非常高，贵是有道理的~
雷达分类
机械激光雷达
机械激光雷达使用机械部件旋转来改变发射角度，这样导致体积过大，加工困难，且长时间使用电机损耗较大。但由于机械激光雷达是最早开始研发的，所以现在成本较低，大多数无人驾驶公司使用的都是机械激光雷达。
MEMS激光雷达
MEMS全称Micro-Electro-Mechanical System，是将原本激光雷达的机械结构通过微电子技术集成到硅基芯片上。本质上而言MEMS激光雷达是一种混合固态激光雷达，并没有做到完全取消机械结构。
主要原理为：通过MEMS把机械结构集成到体积较小的硅基芯片上，并且内部有可旋转的MEMS微振镜，通过微振镜改变单个发射器的发射角度，从而达到不用旋转外部结构就能扫描的效果。
大致原理如下图：

相控阵激光雷达
两列水波干涉时会出现某处高某处低的情形：

光学相控阵原理类似干涉，通过改变发射阵列中每个单元的相位差，合成特定方向的光束。经过这样的控制，光束便可对不同方向进行扫描。雷达精度可以做到毫米级，且顺应了未来激光雷达固态化、小型化以及低成本化的趋势，但难点在于如何把单位时间内测量的点云数据提高以及投入成本巨大等问题。
动态原理图如下：

FLASH激光雷达
FLASH激光雷达原理非常简单：在短时间内发射出一大片覆盖探测区域的激光，再以高度灵敏的接收器，来完成对环境周围图像的绘制。
激光雷达的数据
分成N份
分成M份
N线点云数据
1线点云数据
时间戳
1个点云数据
点云数量M
X方向偏移量
Y方向偏移量
Z方向偏移量
反射强度
激光雷达数据的处理顺序一般为：
数据预处理（坐标转换，去噪声）
聚类（根据点云距离或反射强度）
提取聚类后的特征，根据特征进行分类等后处理工作。
激光雷达数据的处理顺序一般为：
数据预处理（坐标转换，去噪声）
聚类（根据点云距离或反射强度）
提取聚类后的特征，根据特征进行分类等后处理工作。

腾景科技：立足光学核心技术突破下游消费类市场

在光学光电的企业圈子里，腾景科技属于年轻的一拨。2013年腾景科技组建，2019年股份公司设立，2021年3月，成立不到8年时间，公司即登陆科创板。
借力科创板平台，腾景科技坚持技术创新战略，加速拓展下游应用领域。上市以来，公司在衍射技术的研发中取得重大进展，为光通讯、工业激光、车载、AR等热门应用领域开发关键元器件。
上市推动技术向前发展
腾景科技位于福州市马尾区，当地光学光电企业聚集。
余洪瑞本科就读于清华大学应用物理专业，硕士毕业于中科院福建物构所，此后便一直扎根于福州的光学产业，积累了近三十年光电子元器件企业管理经验。
采访时，余洪瑞身穿一件印有“Optowide”(公司logo)的白衬衫，气质温和，语速平缓，当聊到行业技术话题时才会上扬语调。言谈举止正如外界对他的印象——学者型企业家。
“选择创业是我们想在企业发展上更具自主性。”余洪瑞说。
核心研发团队是一家企业技术能力的重要体现。腾景科技的多位高管具有深厚技术背景：另一位创始人王启平毕业于中科院长光所，有着近三十年光学薄膜领域技术积淀；首席技术官GANZHOU博士毕业于清华物理系，在美国获得光学博士学位，曾为美国加州理工学院访问教授，擅长于激光传感、器件及系统集成领域。
“科创板是市场瞩目的板块，公司上市后知名度变高了，客户和供应商对我们的信心更足了。通过上市直接融资，能投入到研发上的资源更多了。”余洪瑞表示。
腾景科技自成立便注重光学底层技术的开发，现已建立“光学薄膜类技术”、“精密光学类技术”、“模压玻璃非球面类技术”、“光纤器件类技术”四大类核心技术平台，涵盖了光电子元器件制造的主要环节。上市后，公司又规划建设衍射光学类技术、光机集成与测试类技术等，不断衍生开发高端、高性能的精密光学元器件产品，并对相关制造工艺进行迭代升级。
“科创板企业一定要技术过硬，一定要在自己的主业里技术领先，腾景不属于那种爆发型的公司，但我们一直按着既定的技术路线、产品路线往前推进，一步步往前走。”余洪瑞说。
去年，腾景科技研发投入达2479.60万元，同比增长逾24%。研发投入占营收比重达8.19%，今年一季度，该比例进一步提升至9.22%。
余洪瑞还介绍，公司通常与大客户深度合作，在客户产品研发阶段即开始介入参与，这意味着，公司进入客户的供应链不易，出去同样不易，客户流失率较低。
腾景科技的业务模式也主要采取定制化方式，公司在光通信和光纤激光领域均积累了一批大客户资源，其中不乏Lumentum、Finisar等全球知名企业。
营收规模持续扩大
腾景科技处于光通信、光纤激光产业链的上游。上市以来，腾景科技积极进行市场开拓，业务规模持续扩大。
“去年公司股票在科创板上市，公司的资本实力和品牌影响力得到了进一步增强。公司自建厂房竣工，完成验收、产线搬迁，订单交付能力显著提升，未来产能也得到有效保障。”腾景科技表示。
2021年，腾景科技实现营业收入约3亿元，较上年同期增长12.44%，其中，光纤激光领域营收占比为55.45%；光通信领域营收比重为41.70%。
此外，分地区看，面对新冠肺炎疫情反复及国际贸易环境变化的不利影响，腾景科技的海外业务仍实现增长。
去年，腾景科技的海外收入为6662万元，同比增长约9%。不过，该部分业务营收占比有所下滑。余洪瑞表示，海外业务因为受到疫情的影响，产品现场认证受阻，拓展进度低于预期。
“未来公司将加强对北美和欧洲市场开拓，争取把国外销售比例恢复到疫情前水平。”余洪瑞表示。
从利润率水平看，腾景科技去年海外收入的毛利率达到45%，远高于国内业务约29%的毛利率水平。
就海外业务拓展，余洪瑞还介绍，腾景科技今年在美国设立子公司，建立销售服务中心，向北美地区提供光学元器件产品销售和服务。
今年一季度，腾景科技营业收入达7788万元，同比增长近38%；净利润约1036万元，同比增幅约36%。
从客户的订单情况来看，年初至今，光通信元器件市场需求仍然延续2021年下半年平稳复苏的势头；光纤激光元器件市场需求良好。
今年2月，国家全面启动了“东数西算”工程，拟通过构建数据中心、云计算、大数据一体化的新型算力网络体系，将东部算力需求有序引导到西部，优化数据中心建设布局，促进东西部协同联动。
腾景科技介绍，光通信网络是信息基础设施重要组成和关键承载底座，“东数西算”重大工程的启动实施，将对光通信领域的高速光模块和光器件产生积极作用，将有力促进上游光电子元器件产业加速发展。
突破车载光学
和AR领域
光电子元器件的发展很大程度上取决于下游应用领域的需求。上市前，腾景科技的产品主要应用于工业类场景。上市后，公司发展衍射光学类技术的同时，积极向下游消费类光学市场拓展。
争取在车载光学和AR领域有所突破，已被列为腾景科技今年的经营重点。
随着自动驾驶从L1、L2向L3、L4、L5进阶，车载光学行业迎来重大的发展机遇。其中，激光雷达是备受市场期待的应用领域。
目前，自动驾驶系统感知主要有两条路线，一是以特斯拉为代表的视觉路线，另外就是激光雷达路线。
“今年激光雷达市场火热，整个行业相当于迈了一大步，普通乘用车的自动驾驶预计没那么快，在物流、港口、矿山等某些特殊应用上可能会快一点，但长远看还是比较看好的一个方向。”余洪瑞表示。
腾景科技主要向部分激光雷达客户提供透镜、窗口片、滤光片、棱镜、反射镜等精密光学元件，应用于激光雷达光路传输的系统中。在公司看来，激光雷达是智能驾驶技术的核心感知器件，感知作为智能驾驶的先决条件，其探测精度、广度与速度直接影响智能驾驶的行驶安全，精密光学元件在激光雷达光学系统中发挥着重要作用。基于此，随着国家智能汽车创新发展战略的推进，光电子元器件行业将迎来更广阔的市场空间。
此外，精密光学是AR应用的关键支撑技术之一。腾景科技开发的精密光学元件，即可应用于AR等新兴消费电子产品。
腾景科技认为，AR技术与行业应用的融合正在进入加速期，AR设备渗透率将持续提升。精密光学元器件、光学系统作为AR设备实现优质成像效果和良好用户体验的核心组件，已发展出较多类型，但每种类型均未成熟。随着阵列光波导、衍射光波导等AR设备光学元器件相关技术的发展和进化等，AR显示设备向更轻、更薄、更智能的方向发展。
据悉，腾景科技在激光雷达和AR应用领域的业务拓展正稳步推进中，量产时间将取决于客户验证情况及下游终端的需求情况。

激光雷达系统的基本原理

LIDAR是一种集激光，全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术与一身的系统，用于获得数据并生成精确的DEM。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。它又分为目前日臻成熟的用于获得地面数字高程模型(DEM)的地形LIDAR系统和已经成熟应用的用于获得水下DEM的水文LIDAR系统，这两种系统的共同特点都是利用激光进行探测和测量，这也正是LIDAR一词的英文原译，即：LIght Detection And Ranging - LIDAR。
激光本身具有非常精确的测距能力，其测距精度可达几个厘米，而LIDAR系统的精确度除了激光本身因素，还取决于激光、GPS及惯性测量单元(IMU)三者同步等内在因素。随着商用GPS及IMU的发展，通过LIDAR从移动平台上（如在飞机上）获得高精度的数据已经成为可能并被广泛应用。
LIDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度，激光扫描角度，从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光发射方向，就可以准确地计算出每一个地面光斑的坐标X，Y，Z。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲。举例而言，一个频率为每秒一万次脉冲的系统，接收器将会在一分钟内记录六十万个点。一般而言，LIDAR系统的地面光斑间距在2-4m不等。
激光雷达是一种工作在从红外到紫外光谱段的雷达系统，其原理和构造与激光测距仪极为相似。科学家把利用激光脉冲进行探测的称为脉冲激光雷达，把利用连续波激光束进行探测的称为连续波激光雷达。激光雷达的作用是能精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。经过多年努力，科学家们已研制出火控激光雷达、侦测激光雷达、导弹制导激光雷达、靶场测量激光雷达、导航激光雷达等。