讓小編猜猜

一定有小伙伴和小編一樣

喜歡在路上低頭玩手機

然后一不小心

......

BANG~ 來源：bilibili

小編哭著跑回家

拜托哆啦 A 夢

然后 ...

哆啦 A 夢拿出了

太棒了 ~，小編正打算帶著秘密道具引導天使出門玩耍

哆啦 A 夢說

欸嘿，等一等

你知道引導天使是如何保護你的嗎？

你手里拿著的其實是 ~

激光雷達

激光雷達是傳統雷達與激光技術相結合的產物，是以激光束作為信息載體，可以用相位、頻率、偏振和振幅來搭載信息的主動式雷達。

激光雷達 來源：百度

由于激光具有高亮度性、高方向性、高單色性和高相干性特點，所以激光雷達能夠精確測距、測速和跟蹤，還具有很高角分辨率、速度分辨率和距離分辨率，對更小尺度的目標物也能產生回波信號，在探測細小顆粒有著特有優勢。

原來是搭載了激光雷達呀，那它是如何工作的呢？

工作原理

三角測距

激光器發出一束激光，在遇到物體后，反射回探測器（CCD），激光器與探測器之間間隔了一段固定的距離。對于遠近不同的物體，反射回的光線將會落在探測器不同的位置。通過反射光斑的位置與物體距離之間的三角函數關系，可以獲得物體的位置信息。

三角測距原理圖 來源：參考資料 1

根據原理圖可知：基線長 s，與發射器 Laser 光軸夾角為 β， 觀測物 Object 與基線距離 q，鏡頭與 CCD 芯片的焦距為 f，CCD 中點為 o，反射光軸在 CCD 上投射點與 o 距離為 x。根據三角形相似關系：

根據三角函數關系：

從而得到物體的距離 d

時間飛行法 TOF

激光器在 t1 時刻發射一個激光脈沖，被物體反射后，在 t2 時刻被接收器接收。在一般情況下，空氣里的光速基本不變，通過激光束飛行的時間 t1-t2，以及光速 c，可以得到物體的距離 d：

TOF 原理圖 來源：知乎

相干探測法

以調頻連續波 FMCW 為例，激光器發射出具有一定帶寬、頻率線性變化的連續信號，通過發送與接收信號的差頻來計算兩個信號的時間差，最后由時間差得到對應的距離值。如果被探測物體在運動，則反射信號會有會有頻率或波長變化，通過多普勒效應可得出被探測物體的速度。

相干探測原理圖 來源：知乎

那么什么是多普勒效應呢？

當振動波源與觀察者發生相對運動時，觀察者實際接收到的頻率相對于波源的實際頻率 f 發生變化。

多普勒效應 來源：百度

物體接收到的實際頻率 f ’為 :

v 為波在該介質中的行進速度；

v0 為觀察者相對于介質的移動速度，若接近發射源則前方運算符號為 + 號，反之則為 − 號；

vs 為發射源相對于介質的移動速度，若接近觀察者則前方運算符號為 − 號，反之則為 + 號。

若波源發射的是電磁波，則接收到的頻率 f ’為 :

其中 v 為波源與接收器的相對速度。當波源與觀察者接近時，v 取正，稱為 " 紫移 " 或 " 藍移 "；否則 v 取負，稱為 " 紅移 "。

看著公式是不是一頭霧水？這時候只需要把手機拿出來，播放一首音樂，然后快速的搖一搖，就能感受到由于多普勒效應而產生變化的音樂聲啦！

咳咳，回到正題。由下圖看到，激光器發射一束連續信號 ft

相干探測原理圖 來源：知乎

當雷達（圖中 FMCW Rader）與物體（圖中汽車）相對靜止時，反射回探測器的信號 fr 在時間上延遲 td

由圖中幾何關系可以得到（fb 為差頻）

雷達與物體的距離為

探測靜止物體時的激光信號 來源：參考資料 6

當發射的連續信號為一確定波形時，可以通過差頻信號 fb 來獲取物體的位置信息。

探測運動物體時的激光信號（上）；拍頻信號（下） 來源：參考資料 6

當物體相對于雷達運動時，由于多普勒效應，反射回探測器的信號頻率發生了變化，多普勒頻移為（v<<c）：

其中 f0 為發射信號中心頻率

此時在信號上升沿和下降沿出現高低不同的兩種差頻：

雷達與物體間的距離為：

物體的速度為：

因此，可以通過高低兩種拍頻來計算距離與速度。

來源：bilibili

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可是，生活中使用的激光筆發射的光束都非常細，那么激光雷達要怎樣探測不同方向的物體呢？引導天使好像不太可靠的樣子 ~

激光雷達內置的掃描系統能夠 360 度無死角保護你。

掃描方式

機械式旋轉掃描

說到掃描，大家首先想到的一定是機械式掃描，只需要通過機械旋轉帶動發射部件進行掃描，即可探測到各個方位的物體。

機械式掃描 來源：參考資料 3

這種方法掃描速度快、抗干擾能力強、可承受激光功率高。但機械結構的加入使得激光器變得又大又重，高速旋轉下的部件非常容易磨損，需要周期性的維護。購買這種道具的話，我需要每 2~3 個月回一趟 22 世紀進行維護工作。

微機電系統 MEMS

MEMS 激光雷達是把機械結構集成到體積較小的硅基芯片上，通過微振鏡改變單個發射器的發射角度，從而進行激光束偏轉，將點光源掃射到有限區域內。此技術可以將振動折射部件集成到芯片上，減小了掃描部件的體積與重量，便于批量化生產，但其并沒有做到完全取消機械結構。

振鏡示意圖 來源：參考資料 5

這種技術的不足之處在于振鏡的尺寸和材質對于激光功率有一定限制，而且掃描的水平視場角較小，無法做到 360 度全方位掃描，需要組合使用。

光學相控陣 OPA

還記得之前讓你在中科院物理研究所公眾號上看的《為啥不能隔著門縫偷看？原來透過門縫就會看見 " 幽靈 "》一文嗎？當兩束光相位差為 0 時發生相長干涉，此時振幅最大。

相長干涉

將同一束光經過分束器分為多路光信號，在各路光信號相位差為 0 情況下，向前傳播的光束振幅最大，因而不會發生波束的偏轉。

在各路光信號附加相位差之后 ( 比如第二個波導與第一個波導的相位差為 Δ ，第三個波導與第一個波導的相位差為 2Δ ，以此類推 ) ，此時的等相位面不再垂直于波導方向，而是有了一定的偏轉，滿足等相位關系的波束會相干相長，不滿足等相位條件的光束就會相互抵消，故光束的指向總是垂直于等相位面。

光學相控陣原理圖 來源：知乎

如圖所示，設相鄰波導之間的間距都為 d，則相鄰波導輸出的光束到達等相位面的光程差為

其中 θ 表示光束偏轉角度，由于這個光程差是由陣元的相位差引起的，因而

所以在陣元中引入相位差完成了波束的偏轉效果，這就是一維相控陣的掃描原理。

OPA 掃描仿真圖 來源：知乎

該種掃描方式徹底取消了機械結構，通過不同的相位，不同角度的光束能夠對物體進行掃描，從而不需要采用物理掃描的方式。但也有其缺點，多束激光干涉容易形成旁瓣，影響光束作用距離和角分辨率，使得激光能量被分散，并且加工難度非常高：光學相控陣要求陣列單元尺寸小于半個波長。

閃光型 Flash

以上激光雷達是逐點掃描式，單次發射只探測某個方位，而flash 激光雷達單次探測可覆蓋視角內所有方位，一次性實現全局成像來完成對環境周圍環境的探測。

Flash 原理圖 來源：知乎

采用類似照相機的工作模式，每個像素點可以記錄光子飛行時間信息。發射的面陣激光照射到目標上，由于物體具有三維空間屬性，從而不同部位的光所反射的光具有不同的飛行時間，被焦平面探測器陣列探測，根據飛行時間不同繪制圖像。

該種激光雷達無需掃描器件，成像速度快，集成度高，體積較小，適合量產；同時其探測距離較近，抗干擾能力差，角分辨率低。

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我說完了

啊 ~ 這個道具真是太方便了

托引導天使的福

今天在家真是安全！