雷射雷達全面分析總共四篇，本文為基礎篇，包含雷達相關知識，雷射雷達的介紹，工作原理，核心部件，技術指標。第二篇為技術篇，之後兩篇是市場篇以及產業篇，歡迎關注。
1. 原理簡單，毫米波/雷射/超聲波
介紹雷射雷達之前，先了解雷達。
雷達，是英文「Radar」的音譯，英文全稱為Radio Detection and Ranging，即無線電探測和測距。
雷達向目標發射無線電波，通過發送信號與目標反射信號進行對比，來獲得目標至發射點距離、距離變化率、方位、高度以及角度等信息。
按照發射電波的頻率或波長，雷達主要有以下應用：
雷達發明於19世紀，直到20世紀30年代初才開始流行，在二戰時期聲名鵲起。
1938年，盟軍在英國泰晤士河口布置了200公裡長的雷達網，給希特勒造成極大的威脅。隨後，英國海軍又將雷達安裝在軍艦上，在海戰中發揮了重要作用。
雷達不僅運用在軍事上，還可用於探測天氣，海洋測繪，民用飛機航空管制，查找地下20米深處的古墓等。
雖然各種雷達的用途和結構不盡相同，但基本構造是一樣的，簡單來說都包括：發射器、接收器機和處理器。
雷達發射無線電波，事實上，不論無線電波，還是我們平時看到的可見光，在本質上都是電磁波，在真空中傳播的速度都是光速。
下圖為電磁波圖譜：
根據公式：光速= 波長 * 頻率，頻率越高，波長越短。波長越短，意味著解析度越高；而解析度越高，意味著在距離、速度、角度上的測量精度更高。
目前應用於汽車無人駕駛的雷達主要有三種：
1. 介於微波和紅外線之間，頻率範圍10GHz—200GHz，波長為毫米級，毫米波雷達；
2. 介於紅外線和可見光之間，頻率大致為10^14Hz（100000GHz），波長為納米級，本文的主角——雷射雷達；
3. 頻率高於20000Hz的超聲波雷達；
需要指出的是，毫米波和雷射屬於電磁波一種，是電磁場的一種運動形態；而超聲波屬於聲波，是物體機械振動狀態的傳播，超聲波振動頻率大於20000Hz，一般人耳聽不到。
無論是普通雷達，雷射雷達，毫米波雷達，或者超聲波雷達，其工作原理都是一樣的，發出信號，測量從物體反射回來的時間，由於光速恆定，因此可以通過測量時間來計算距離。這一物理學基礎在過去一個世紀中並沒有改變。
2. 最大優勢：三維點雲建模
了解了雷達之後，開始介紹雷射雷達。
雷射雷達（英文Lidar），英文全稱為Laser Detecting and Ranging，即雷射探測和測距。
與雷達工作原理類似，雷射雷達通過發射和接收雷射束。
通過測量雷射信號的時間差和相位差來確定距離，通過水平旋轉掃描來測角度，並根據這兩個參數建立二維的極坐標系，再通過獲取不同俯仰角度信號獲得三維中的高度信息。
高頻雷射可在一秒內獲取大量（約150萬個）的位置點信息（稱為點雲），並根據這些信息進行三維建模。
除了獲得位置信息外，雷射信號的反射率可以區分目標物質的不同材質。雷射雷達的維度（線束）越多，測量精度越高。
由於雷射頻率高，波長短，所以可以獲得極高的角度、距離和速度解析度。
距離和速度解析度高，意味著可以利用多譜勒成像技術，創建出目標清晰的3D圖像，這就是雷射雷達最大的優勢。
在雷射問世的第二年（1961年），就有人提出了雷射雷達的設想，在1971年阿波羅15號任務中，美國太空人使用雷射高度計來繪製月球表面，讓人們認識到雷射雷達的準確性和實用性，得到了廣泛的關注。
世界第一款汽車用雷射雷達是美國Velodyne公司生產的64線雷射雷達，首次亮相於2005年無人駕駛挑戰賽。
3. 工作原理和組成：四大系統，八個指標
雷射雷達 = 雷射發射+雷射接收+信息處理+掃描系統
下圖所示為雷射雷達系統組成：
雷射發射系統：激勵源周期性地驅動雷射器，發射雷射脈衝，雷射調製器通過光束控制器控制發射雷射的方向和線數，最後通過發射光學系統，將雷射發射至目標物體；
雷射接收系統：經接收光學系統，光電探測器接受目標物體反射回來的雷射，產生接收信號；
信息處理系統：接收信號經過放大處理和數模轉換，經由信息處理模塊計算，獲取目標表面形態、物理屬性等特性，最終建立物體模型。
掃描系統，以穩定的轉速旋轉起來，實現對所在平面的掃描，並產生實時的平面圖信息。
下面放一張動圖，更加形象生動：
下圖為雷射雷達的核心器件，除了光學鏡片之外，大部分都為電子元器件。
4. 雷射雷達實物具體長什麼樣？
下圖為Velodyne公司的64線雷射雷達HDL_64E。
該雷達前端上下分布有四組雷射發射器（每組16個發射機，共64個）和兩組雷射接受器（每組32個雷射接收機，對應64個）。
在電路的控制下，發射機和接收機按照時間順序輪流工作，在水平和俯仰方向形成光學掃描。
一般用以下八個技術指標來評價雷射雷達：
最大輻射功率：決定是否需要防護水平視場：是否360度全視角旋轉垂直視場：俯仰角角度（30度/15度）光源波長：光學參數（納米級別）測量距離：是否滿足長距離探測（200米）測量時間和幀頻率：雷射返回一圈的時間縱向和水平解析度：對算法影響大，精度越高越貴測距精度：釐米級
（下一篇技術篇，包括雷射雷達的分類，關鍵技術以及主要挑戰，敬請期待）
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