激光雷達知識分享，激光雷達性能測試

激光雷達的定義：

激光雷達是一種利用激光作為探測光源，通過發射、接收并分析激光與目標物相互作用后返回的信號，以獲取目標距離、速度、形狀、紋理等信息的主動遙感技術。其工作原理基于激光測距和多普勒效應，通過精確測量激光脈沖往返時間（TimeofFlight, ToF）或相位差，結合激光波長和光速，計算目標的距離；通過分析返回信號的多普勒頻移，確定目標的運動狀態。激光雷達系統通常包括激光發射單元、接收單元、數據處理單元和旋轉或掃描機構等部分。

激光雷達的應用領域：

1. 自動駕駛與高級駕駛輔助系統（ADAS）：車載激光雷達為車輛提供高精度的環境感知能力，包括障礙物檢測、道路邊界識別、交通標志識別等，是實現自動駕駛的關鍵傳感器之一。

2. 地理信息測繪與城市建模：機載或地面激光雷達用于地形地貌測繪、城市三維建模、森林資源調查、災害監測等，生成高精度的數字高程模型（DEM）、點云數據等地理信息產品。

3. 無人機應用：無人機搭載激光雷達進行電力巡檢、農業監測、環境監測、考古勘查等任務，提供實時、精確的地形與目標數據。

4. 氣象觀測：機載激光雷達用于云層結構分析、大氣成分探測、風速測量等氣象研究。

5. 安防監控：固定式或移動式激光雷達用于邊境監控、港口安全、重要設施防護等，實現遠距離、全天候的目標探測與跟蹤。

6. 機器人與工業檢測：在工業自動化、物流倉儲、服務機器人等領域，激光雷達用于避障導航、物體識別與定位。

激光雷達的測試方法：

1. 距離精度測試：使用已知距離的標準靶標，對比激光雷達測得距離與實際距離的偏差，評估距離測量準確性。

2. 角度精度測試：通過精密轉臺控制激光雷達指向已知角度的反射靶，測量實際掃描角度與設定角度的差異，評估角度測量精度。

3. 點云質量評估：采集特定場景的點云數據，分析點云密度、噪聲水平、地面點濾波效果、特征提取能力等。

4. 動態性能測試：在模擬或實際移動平臺上測試激光雷達對運動目標的檢測能力，包括跟蹤精度、刷新率、多目標處理能力等。

5. 環境適應性測試：在不同光照、氣候、目標反照率條件下，評估激光雷達的性能穩定性及抗干擾能力。

6. 電磁兼容性（EMC）測試：驗證激光雷達在電磁環境下正常工作的能力，包括抗電磁干擾（EMI）和電磁輻射（EMR）兩方面。

激光雷達的測試標準：

1. ISO 16323:2015：地球科學  使用機載激光雷達進行地形測繪的標準方法。

2. ASTM E57.04：美國材料與試驗協會標準，規定了地面激光雷達系統的性能測試方法。

3. SAE J3016：美國汽車工程師學會標準，定義了自動駕駛系統的等級劃分，間接規定了車載激光雷達的技術要求。

4. IEC 608251：國際電工委員會標準，規定了激光產品的安全要求，適用于激光雷達的激光安全評估。

激光雷達安全標準：

1. IEC 608251：通用激光產品安全標準，規定了激光產品的分類、要求和用戶指南，激光雷達應遵循相應激光安全等級的防護措施。

2. IEC 6082514：專門針對激光雷達的安全標準，詳細規定了激光雷達的發射特性、人眼暴露限值、防護措施等安全要求。

激光雷達性能指標與參數：

1. 測距精度：通常以±（米）表示，衡量激光雷達測距的絕對誤差。

2. 角分辨率：通常以°或mrad表示，反映激光雷達在垂直和水平方向上區分相鄰目標的能力。

3. 測速精度：通常以±（m/s）表示，衡量激光雷達對目標速度測量的準確性。

4. 點云密度：單位時間內或單位面積內激光雷達生成的點數量，反映數據采集的密集程度。

5. 最大測距：激光雷達能夠有效探測的最遠距離，通常受激光功率、接收靈敏度和大氣衰減等因素影響。

6. 掃描速率：激光雷達完成一次完整掃描所需的時間或每秒掃描線數，影響實時性與數據更新速率。

7. 激光波長：常用的激光雷達波長有905nm、1550nm等，波長選擇影響穿透力、人眼安全性和大氣散射等特性。

8. 功耗：激光雷達工作時的電能消耗，影響系統集成與續航能力。

9. 尺寸與重量：對車載、無人機等應用的集成便利性與負載能力有直接影響。

905nm激光雷達和1550nm激光雷達的比較

激光雷達最常使用的波長為905nm和1550nm。

關于激光波長，繞不開的一個話題就是人眼安全。當一束強烈的可見光照射眼睛，我們會本能的閉上眼睛來躲避光線。但是對于激光這種不可見的近紅外光，當眼睛被照射時，眼睛并不會注意到它，如果累積了足夠的能量，激光就會對我們的眼睛造成不可逆的傷害，包括視網膜灼傷以及白內障。為了評價這種傷害的級別，國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）制定了一份激光安全標準IEC 60825，標準中根據最大允許暴露度（Maximum Permissible Exposure，MPE）對激光進行分類。MPE指在給定波長和持續時間內，在不允許引起生物組織損傷的情況下，每單位面積允許的最大激光能量。

從圖中可以看出，任何脈寬的1550nm激光器的MPE值都要比950nm激光器的MPE值高，這意味著人眼能承受更大能量的1550nm激光的照射，這意味著1550nm激光雷達將擁有更高的發射功率。

   功率高、卻能保證人眼安全的原因是1550nm的激光容易被水吸收，而人眼表面正好有一層水（眼液），這層水一定程度上幫我們吸收了大量激光輻射。

   激光雷達發射功率高帶來的最直接好處就是探測距離將更遠，一個1550nm激光雷達，在10%反射率的前提下，測距能力達到250m。而使用了905nm激光雷達，在10%反射率的前提下，測距能力只有150m。

   有矛就有盾，1550nm激光雷達的盾就是雨天，據部分公司的實測數據顯示：2毫米厚的水薄膜都能將1550nm激光的90%能量吸收掉，這意味這小雨天要慎用、中雨及大雨用不了。

   當然業界有一種聲音，覺得如果雨水呈片狀的“水簾”或“水灘”的話，1550nm激光被吸收的概率很大，但是如果是“雨點”的話，基本不具備完全屏蔽1550nm激光的能力。

其實這種聲音忽略了被測物體，無論大雨還是小雨，無論被測物體靜止還是移動，在雨中呆上一段時間后表面都會形成一層水膜，所以你即使能躲避雨滴的吸收，你能躲避得了被測物體上的水膜？

雖然1550nm激光雷達并非完美無缺，但是總結起來1550nm激光雷達整理性能明顯更優于905nm激光雷達。

第一：經過激光安全測試的1550nm激光雷達，發出的1550nm光波不會傷害人眼，雖然發射功率要比905nm高了一些，但也在人眼安全可視范圍內，對人體健康無損害；

第二：由于光束亮度高、光束準直性更好，抗陽光干擾能力強，在烈日曝曬，陽光強度高的實際場景中，抗干擾強。

比如行駛在隧道中，由明到暗肉眼是很好識別的，但由暗到明，肉眼需要適應光線亮度后才能識別獲取信息，也就是我們所謂的“刺眼”。其實攝像頭也存在這樣的問題，里面的CMOS在強弱光進行交替時，會出現短暫的“失明”。

而激光雷達就不存在這樣的問題，因為不受光線的干擾，所以即便行駛到接近隧道出口，也能很好的辨別前面情況。

第三：探測距離遠，最長探測距離500m，即便反射10%，也能保證有250m的距離，為道路預判和感知留足了反應時間。

總體而言，905nm激光雷達和1550nm激光雷達各有自己的優缺點，選擇哪一種波長還需要根據實際的現實需求去決定。

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