神奇的秘密道具，让你走路玩手机再也不怕撞！

让小编猜猜

一定有小伙伴和小编一样

喜欢在路上低头玩手机

然后一不小心

……

小编哭着跑回家

拜托哆啦 A 梦

然后…

哆啦 A 梦拿出了

太棒了~，小编正打算带着秘密道具引导天使出门玩耍

哆啦 A 梦说

欸嘿，等一等

你知道引导天使是如何保护你的吗？

你手里拿着的其实是~

激光雷达

激光雷达是传统雷达与激光技术相结合的产物，是以激光束作为信息载体，可以用相位、频率、偏振和振幅来搭载信息的主动式雷达。

由于激光具有高亮度性、高方向性、高单色性和高相干性特点，所以激光雷达能够精确测距、测速和跟踪，还具有很高角分辨率、速度分辨率和距离分辨率，对更小尺度的目标物也能产生回波信号，在探测细小颗粒有着特有优势。

原来是搭载了激光雷达呀，那它是如何工作的呢？

工作原理

三角测距

激光器发出一束激光，在遇到物体后，反射回探测器（CCD），激光器与探测器之间间隔了一段固定的距离。对于远近不同的物体，反射回的光线将会落在探测器不同的位置。通过反射光斑的位置与物体距离之间的三角函数关系，可以获得物体的位置信息。

根据原理图可知：基线长 s，与发射器 Laser 光轴夹角为 β，观测物 Object 与基线距离 q，镜头与 CCD 芯片的焦距为 f，CCD 中点为 o，反射光轴在 CCD 上投射点与 o 距离为 x。根据三角形相似关系：

根据三角函数关系：

从而得到物体的距离 d

时间飞行法 TOF

激光器在 t1 时刻发射一个激光脉冲，被物体反射后，在 t2 时刻被接收器接收。在一般情况下，空气里的光速基本不变，通过激光束飞行的时间 t₁-t₂，以及光速 c，可以得到物体的距离 d：

相干探测法

以调频连续波 FMCW 为例，激光器发射出具有一定带宽、频率线性变化的连续信号，通过发送与接收信号的差频来计算两个信号的时间差，最后由时间差得到对应的距离值。如果被探测物体在运动，则反射信号会有会有频率或波长变化，通过多普勒效应可得出被探测物体的速度。

那么什么是多普勒效应呢？

当振动波源与观察者发生相对运动时，观察者实际接收到的频率相对于波源的实际频率 f 发生变化。

物体接收到的实际频率 f’为:

v 为波在该介质中的行进速度；

v₀ 为观察者相对于介质的移动速度，若接近发射源则前方运算符号为 + 号，反之则为−号；

v_s 为发射源相对于介质的移动速度，若接近观察者则前方运算符号为−号，反之则为 + 号。

若波源发射的是电磁波，则接收到的频率 f’为:

其中 v 为波源与接收器的相对速度。当波源与观察者接近时，v 取正，称为“紫移”或“蓝移”；否则 v 取负，称为“红移”。

看着公式是不是一头雾水？这时候只需要把手机拿出来，播放一首音乐，然后快速的摇一摇，就能感受到由于多普勒效应而产生变化的音乐声啦！

当雷达（图中 FMCW Rader）与物体（图中汽车）相对静止时，反射回探测器的信号 f_r 在时间上延迟 t_d

由图中几何关系可以得到（f_b 为差频）

雷达与物体的距离为

当发射的连续信号为一确定波形时，可以通过差频信号 fb 来获取物体的位置信息。

当物体相对于雷达运动时，由于多普勒效应，反射回探测器的信号频率发生了变化，多普勒频移为（v<<c）：

其中 f₀ 为发射信号中心频率

此时在信号上升沿和下降沿出现高低不同的两种差频：

雷达与物体间的距离为：

物体的速度为：

因此，可以通过高低两种拍频来计算距离与速度。

可是，生活中使用的激光笔发射的光束都非常细，那么激光雷达要怎样探测不同方向的物体呢？引导天使好像不太可靠的样子~

激光雷达内置的扫描系统能够 360 度无死角保护你。

扫描方式

机械式旋转扫描

说到扫描，大家首先想到的一定是机械式扫描，只需要通过机械旋转带动发射部件进行扫描，即可探测到各个方位的物体。

微机电系统 MEMS

MEMS 激光雷达是把机械结构集成到体积较小的硅基芯片上，通过微振镜改变单个发射器的发射角度，从而进行激光束偏转，将点光源扫射到有限区域内。此技术可以将振动折射部件集成到芯片上，减小了扫描部件的体积与重量，便于批量化生产，但其并没有做到完全取消机械结构。

如图所示，设相邻波导之间的间距都为 d，则相邻波导输出的光束到达等相位面的光程差为

其中 θ 表示光束偏转角度，由于这个光程差是由阵元的相位差引起的，因而

所以在阵元中引入相位差完成了波束的偏转效果，这就是一维相控阵的扫描原理。

闪光型 Flash

以上激光雷达是逐点扫描式，单次发射只探测某个方位，而 flash 激光雷达单次探测可覆盖视角内所有方位，一次性实现全局成像来完成对环境周围环境的探测。

采用类似照相机的工作模式，每个像素点可以记录光子飞行时间信息。发射的面阵激光照射到目标上，由于物体具有三维空间属性，从而不同部位的光所反射的光具有不同的飞行时间，被焦平面探测器阵列探测，根据飞行时间不同绘制图像。

该种激光雷达无需扫描器件，成像速度快，集成度高，体积较小，适合量产；同时其探测距离较近，抗干扰能力差，角分辨率低。

我说完了

啊~ 这个道具真是太方便了

托引导天使的福

今天在家真是安全！

参考资料：

• [1] 李鑫慧，郭蓬，臧晨，等.激光雷达技术研究现状及其应用 [J]. 汽车电器，2019 (5):3.

• [2] 激光雷达工作原理介绍 – 知乎 (zhihu.com)

• [3] 激光雷达干货全面分析（一）：最大优势，四大系统，八个指标 – 知乎 (zhihu.com)

• [4] 多普勒效应 – 知乎 (zhihu.com)

• [5] 一文彻底搞懂激光雷达原理！_自动驾驶之心的博客-CSDN 博客

• [6] FMCW 激光雷达_Lightigo 的博客-CSDN 博客_fmcw 雷达

本文来自微信公众号：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：荔枝果冻