神奇的秘密道具，让你走路玩手机再也不怕撞！

让边肖猜猜

肯定有边肖这样的小伙伴。

喜欢在路上低头玩手机。

然后不小心

......

边肖哭着跑回家。

求你了，哆啦a梦

然后...

哆啦a梦外卖

太棒了~，边肖正打算用秘密道具引导天使们出去玩。

哆啦a梦说

嘿，等一下。

你知道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和激光技术的结合它是一种以激光束为信息载体，可以携带相位，频率，极化，幅度等信息的主动雷达

由于激光具有高亮度，高方向性，高单色性和高相干性的特点，激光雷达可以精确地测量距离，速度和航迹，还具有较高的角度分辨率，速度分辨率和距离分辨率它还能对更小尺度的目标产生回波信号，在探测小颗粒方面有独特的优势

它配备了激光雷达，那么它是如何工作的呢。

工作原理三角测距

激光器发射一束激光，遇到物体后反射回探测器激光器和探测器之间的距离是固定的对于不同距离的物体，反射光会落在探测器的不同位置通过反射光斑位置与物体距离的三角函数关系，可以得到物体的位置信息

根据示意图可以看出，基线长度S，与发射机激光轴的夹角为β，被观察物体与基线的距离为Q，镜头与CCD芯片的焦距为F，CCD的中点为O，反射光轴在CCD上的投影点与O的距离为x .根据三角形相似度:

根据三角函数关系:

从而获得物体的距离d。

飞行时间

激光器在t1发射激光脉冲，该激光脉冲被物体反射并在t2被接收器接收。一般情况下，光速在空气中基本不变，物体的距离D可以由激光束的飞行时间t1—t2和光速C得到:

相干检测方法

以调频连续波FMCW为例，激光器发射的是具有一定带宽和线性频率变化的连续信号通过发射信号和接收信号的差频计算出两个信号的时间差，最后从时间差得到相应的距离值如果被检测物体在运动，反射信号会发生频率或波长的变化，利用多普勒效应可以得到被检测物体的速度

那么什么是多普勒效应呢。

当振动波源相对于观测者运动时，观测者实际接收到的频率相对于阿波罗源的实际频率f发生变化。

物体接收到的实际频率f '为:

v是波在介质中的传播速度，

0是观察者相对于介质的移动速度，如果靠近发射源，前面操作符号为+，否则为+，

Vs是发射源相对于介质的移动速度如果靠近观察者，前面的运算符号是一个符号，否则是一个+符号

如果波源发射电磁波，接收频率f '为:

其中v是波源和接收器的相对速度当波源靠近观察者时，V为正，称为紫移或蓝移，否则v为负，称为红移

看着公式，你迷茫了吗。这时候你只需要拿出手机，放一段音乐，然后快速晃动，就能感受到因多普勒效应而变化的音乐声音！

好吧，回到正题如下图所示，激光器发出连续信号ft

当雷达和物体相对静止时，反射回探测器的信号fr在时间上延迟td。

根据图中的几何关系

与雷达目标的距离为

当发射的连续信号是确定的波形时，可以通过差频信号fb获得物体的位置信息。

当物体相对于雷达移动时，由于多普勒效应，反射回探测器的信号频率会发生变化。多普勒频移为:

其中f0是发射信号中心频率。

此时，两个不同高度的差频出现在信号的上升沿和下降沿:

与雷达目标的距离为:

物体的速度是:

所以可以通过高低拍频来计算距离和速度。

但是日常生活中使用的激光笔发出的光束非常细，那么激光雷达如何探测不同方向的物体呢。指导天使好像不太靠谱~

激光雷达内置扫描系统，360度无死角保护你。

扫描模式机械旋转扫描

说到扫描，你首先想到的一定是机械扫描只需要机械旋转驱动发射器扫描就可以探测到各个方向的物体

该方法具有扫描速度快，抗干扰能力强，激光功率高等优点但是机械结构的加入，使得激光器变得又大又重，高速旋转下的部件非常容易磨损，需要定期维护买这种道具，我需要每隔2~3个月回22世纪保养一次

微机电系统

MEMS激光雷达将机械结构集成在一个小小的硅基芯片上，通过微振镜改变单个发射器的发射角度，从而偏转激光束，将点光源扫入有限的区域这种技术可以将振动和折射元件集成到芯片中，减小扫描元件的体积和重量，便于量产，但并没有完全取消机械结构

这种技术的缺点是振镜的尺寸和材质对激光功率有一定的限制，扫描水平视场角小，无法全方位360度扫描，需要组合使用。

光学相控阵运算放大器

相长干涉

同一个光束通过分束器分成多个光信号，当每个光信号相位差为0时，光束向前传播的幅度最大，因此不会发生光束偏转。

每个光信号的相位差相加后，此时的等相位平面不再垂直于波导方向，而是有一定的偏转满足等相位关系的光束将是相干的和相长的，不满足等相位条件的光束将相互抵消，因此光束的方向总是垂直于等相位平面

如图所示，假设相邻波导之间的距离为D，则相邻波导输出到等相位平面的光束的光程差为

其中θ代表梁的偏转角。由于该光程差是由阵列元件的相位差引起的，因此

因此，在阵元中引入相位差，完成波束偏转效果，这就是一维相控阵的扫描原理。

这种扫描方式完全取消了机械结构，不同相位和角度的光束都可以对物体进行扫描，不需要采用物理扫描方式可是，它也有它的缺点多光束激光干涉容易形成旁瓣，影响光束的工作距离和角分辨率，使激光能量分散而且加工难度非常高:光学相控阵要求阵列单元尺寸小于半个波长

闪光灯闪光

上述激光雷达为逐点扫描式，单次发射只探测某个方向，而闪光激光雷达的单次探测可以覆盖视角内的所有方向，从而一次性实现全局成像，完成对周围环境的探测。

使用类似照相机的工作模式，每个像素可以记录光子飞行时间信息发射的面阵激光照射目标由于物体具有三维空间属性，从不同部位反射的光有不同的飞行时间，由焦平面探测器阵列探测，根据不同的飞行时间绘制图像

该激光雷达具有无扫描装置，成像速度快，集成度高，体积小的优点，适合大规模生产同时，其探测距离近，抗干扰能力差，角分辨率低

我不干了。

啊~这个道具太方便了。

指引天使的祝福。

今天在家真的很安全！

参考资料:

李新辉，郭鹏，臧琛，等激光雷达技术的研究现状及应用汽车电器，2019 :3

文深谙激光雷达的原理！_自动驾驶的心脏博客—CSDN博客

FMCW激光雷达_Lightigo的博客—CSDN博客_fmcw雷达