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科普篇：激光雷達與毫米波雷達概述

時間：2023-10-30 已閱讀:3838次

伴隨無人駕駛的日趨成熟，機器之眼也從高端局走向了普羅大眾，主流用于周圍環(huán)境感測的傳感器激光雷達、毫米波雷達的紛爭也隨之成為大家茶余飯后的熱議話題。本篇則拋磚引玉，帶大家粗淺的了解它們的原理、系統(tǒng)架構(gòu)、探測方式、應(yīng)用及優(yōu)缺點。

激光雷達

激光雷達是一種集激光、全球定位系統(tǒng) (GPS) 和慣性測量設(shè)備三種技術(shù)于一身的系統(tǒng)，也稱為LiDAR (Light Detection and Ranging) 。

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激光雷達（Model：ABAX-CZ-80）

激光雷達以激光器為輻射源雷達，通過向目標發(fā)射激光束探測目標的位置、速度等特征量，并根據(jù)接收到的從目標反射回來的信號(目標回波)與發(fā)射信號進行比較，經(jīng)過適當處理后，可以獲得目標的有關(guān)信息，如目標距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù)，從而實現(xiàn)對飛機、導(dǎo)彈等目標進行探測、跟蹤和識別。

以下是激光雷達技術(shù)與應(yīng)用的一些關(guān)鍵知識點:

1、工作原理

激光雷達的工作原理是向目標發(fā)射探測信號(激光束) ，然后將接收到的從目標反射回來的信號 (目標回波)與發(fā)射信號進行比較，作適當處理后，就可獲得目標的有關(guān)信息，如目標距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù)。

2、系統(tǒng)組成

激光雷達系統(tǒng)主要由激光發(fā)射機、光學(xué)接收機、轉(zhuǎn)臺和信息處理系統(tǒng)等組成。其中，激光發(fā)射機將電脈沖變成光脈沖發(fā)射出去，光學(xué)接收機再把從目標反射回來的光脈沖還原成電脈沖，然后送到顯示器進行顯示。

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（圖片來源網(wǎng)絡(luò)，侵刪）

3、探測方式

1. 直接探測激光雷達

直接探測激光雷達通過直接接收目標反射或散射的激光束，從而獲取目標的信息。這種方式的優(yōu)點是簡單可靠，適用于遠距離探測和高速運動目標的測量。但是，由于直接探測激光雷達的接收器會接收到背景噪聲和其他干擾信號，因此需要采取一定的抗干擾措施。

2. 干涉儀激光雷達

干涉儀激光雷達利用激光束的干涉現(xiàn)象來探測目標。當兩束激光干涉時，會產(chǎn)生明暗相間的條紋，通過測量條紋的數(shù)量和變化，可以確定目標的距離和速度。干涉儀激光雷達具有高精度和高分辨率，但是需要穩(wěn)定的干涉條件和精密的測量儀器，因此成本較高。

3. 掃描激光雷達

掃描激光雷達通過掃描激光束來獲取目標的信息。它通常采用機械或非機械方式來控制激光束的指向，對目標進行逐點掃描，并接收反射或散射的激光信號。掃描激光雷達可以獲得目標的詳細一維形狀和位置信息，但是掃描時間和數(shù)據(jù)采集時間較長。

4. 相控陣激光雷達

相控陣激光雷達采用一組小型發(fā)射器陣列來發(fā)射激光束，并通過相位控制技術(shù)來精確控制每個發(fā)射器的相位，這種方式的優(yōu)點是具有高精度、高分辨率和高速數(shù)據(jù)采集能力，同時具有較廣的視角和較強的抗干擾能力。但是，相控陣激光雷達的成本較高，并且需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)和技術(shù)。

4、應(yīng)用領(lǐng)域

激光雷達被廣泛用于航空測量地形測繪、無人駕駛、氣象觀測、遙感等領(lǐng)域。相比普通微波雷達，激光雷達因為使用的是激光束，工作頻率較高，從而具有更高的精度和分辨率。同時，由于激光雷達的隱蔽性好，抗干擾能力強，使得它在軍事應(yīng)用中也有著廣泛的應(yīng)用前景。

5、激光雷達優(yōu)缺點

激光雷達優(yōu)點主要表現(xiàn)在以下幾點:

1.分辨率高

激光雷達的分辨率較高，能夠獲取目標的詳細信息，如速度、距離、角度等。

2.抗干擾能力強

激光雷達的信號是光速，不易受電磁干擾和無線電干擾。

3.信息處理能力強

激光雷達可以獲取目標的多種信息，如形狀、大小、方向等，便于進行目標分類和識別。

激光雷達缺點：主要表現(xiàn)在成本相對較高，對環(huán)境要求較高、難以處理復(fù)雜環(huán)境和惡劣天氣等方面。


毫米波雷達

毫米波雷達是工作在毫米波波段 (30~300GHz，波長為1~10mm) 的雷達。它兼有微波雷達和光電雷達的一些優(yōu)點，具有高分辨率、高靈敏度、抗干擾和反隱身能力強的特點，穿透霧、煙、灰塵的能力也較強，全天候(大雨天除外)全天時工作。因此，毫米波雷達在目標識別、成像、跟蹤、測量和定位等方面具有廣泛應(yīng)用。

以下是毫米波雷達技術(shù)與應(yīng)用的一些關(guān)鍵知識點:

1、工作原理

通過發(fā)射機發(fā)射毫米波信號，信號遇到目標后反射毫米波信號遇到目標后，會反射回來，被雷達接收機接收。通過對反射信號的頻率、相位、幅度等信息進行測量和比較，可以獲得目標的距離、速度、方位角等信息。

2、系統(tǒng)組成

毫米波雷達系統(tǒng)通常由天線、發(fā)射器、接收器、處理器等部分組成。其中，發(fā)射系統(tǒng)是毫米波雷達的核心部件，主要由射頻發(fā)生器、功率放大器、鎖相環(huán)等組成，主要負責(zé)產(chǎn)生并放大毫米波信號，以便向目標物體發(fā)射；接收系統(tǒng)則主要由低噪聲放大器、混頻器、濾波器等部分組成，主要負責(zé)將接收到的毫米波信號放大和濾波，同時進行信號處理。

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（圖片來源網(wǎng)絡(luò)，侵刪）

3、探測方式

1.脈沖雷達

脈沖雷達通過發(fā)射毫米波段的脈沖信號，然后接收目標物體反射回來的信號，通過測量反射信號的時間差和相位差來計算目標物體的距離和速度。

2.連續(xù)波雷達

連續(xù)波雷達通過發(fā)射連續(xù)的毫米波信號，同時接收目標物體反射回來的信號，通過測量反射信號的頻率變化來計算目標物體的距離和速度。

3.合成孔徑雷達

合成孔徑雷達通過發(fā)射毫米波信號，然后接收目標物體反射回來的信號，通過多個脈沖信號的相位差來計算目標物體的距離和速度。

4、應(yīng)用領(lǐng)域

毫米波雷達具有高分辨率、高精度、高可靠性、抗干擾能力強等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于汽車交通、醫(yī)學(xué)、建筑、航空航天、安全監(jiān)控等領(lǐng)域，尤其在自動駕駛汽車、智能城市等領(lǐng)域中具有非常重要的作用。

5、毫米波雷達優(yōu)缺點

毫米波雷達優(yōu)點主要表現(xiàn)在以下幾點:

1.穿透能力強

毫米波雷達可以穿透霧雨、雪等惡劣天氣，具有較強的穿透能力。

2.識別能力強

毫米波雷達可以識別物體的形狀和大小，能夠較好地分辨出車輛、行人等不同目標。

3.成本適中

毫米波雷達的成本相對較低，適合大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。

毫米波雷達缺點主要表現(xiàn)在：分辨率較低、對移動目標的檢測能力較弱、容易受到地形和建筑物等復(fù)雜環(huán)境的影響等方面。

結(jié)語

綜合來看，激光雷達和毫米波雷達各有優(yōu)劣，需要根據(jù)具體應(yīng)用場景來選擇合適的傳感器。例如，在需要高精度和高分辨率的應(yīng)用場景下，可以選擇激光雷達；而在需要穿透能力強、成本適中的應(yīng)用場景下，則可以選擇毫米波雷達。