激光雷達(dá)（Light Detection and Ranging，LiDAR）作為一種主動(dòng)遙感技術(shù)，通過(guò)發(fā)射激光束探測(cè)目標(biāo)的距離、方位、速度等特征，已成為自動(dòng)駕駛、測(cè)繪、機(jī)器人導(dǎo)航等領(lǐng)域的核心感知設(shè)備。其基本原理是利用光的傳播特性，通過(guò)測(cè)量激光脈沖從發(fā)射到反射回接收器的時(shí)間差或相位差，計(jì)算目標(biāo)與傳感器的距離，再結(jié)合掃描機(jī)制構(gòu)建三維點(diǎn)云地圖。本文將系統(tǒng)解析激光雷達(dá)的工作原理、技術(shù)分類、核心模塊及應(yīng)用特性。

基本工作原理：光的飛行時(shí)間與空間掃描

激光雷達(dá)的核心功能是實(shí)現(xiàn) “測(cè)距” 與 “三維建模”，其工作流程可分為三個(gè)階段：激光發(fā)射、目標(biāo)反射、信號(hào)接收與處理。

測(cè)距原理是激光雷達(dá)的技術(shù)基石，主要分為飛行時(shí)間（Time of Flight，TOF）法和三角測(cè)距法兩類。TOF 法通過(guò)測(cè)量激光脈沖在空氣中的傳播時(shí)間計(jì)算距離，公式為：距離 D = (光速 c × 飛行時(shí)間 t)/2（除以 2 是因?yàn)楣獬虨橥德窂剑?。例如，?dāng)激光從發(fā)射到接收的時(shí)間為 100 納秒時(shí)，對(duì)應(yīng)的距離約為 15 米（c=3×10?m/s，t=100×10??s，D=3×10?×100×10??/2=15m）。TOF 法又可分為脈沖式（直接測(cè)量脈沖往返時(shí)間）和相位式（通過(guò)測(cè)量發(fā)射與接收激光的相位差計(jì)算時(shí)間），前者適用于遠(yuǎn)距離測(cè)量（百米級(jí)），后者精度更高（毫米級(jí)）但量程較短（十米級(jí)）。

三角測(cè)距法則通過(guò)幾何關(guān)系計(jì)算距離：激光發(fā)射器與接收器以固定角度安裝，發(fā)射的激光束照射目標(biāo)后，反射光在接收器的成像平面上形成光斑，根據(jù)光斑位置與基線長(zhǎng)度（發(fā)射器與接收器間距），利用三角相似原理計(jì)算距離。該方法因無(wú)需高精度時(shí)間測(cè)量，適合近距離（0.5-50 米）、高幀率場(chǎng)景（如工業(yè)檢測(cè)），但受限于光學(xué)系統(tǒng)尺寸，難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè)。

空間掃描機(jī)制賦予激光雷達(dá)三維感知能力。通過(guò)機(jī)械旋轉(zhuǎn)、電子轉(zhuǎn)向等方式改變激光束的傳播方向，使激光束按特定軌跡（如螺旋線、光柵線）覆蓋目標(biāo)區(qū)域。每個(gè)激光脈沖對(duì)應(yīng)一個(gè)空間點(diǎn)（x,y,z），大量點(diǎn)的集合形成點(diǎn)云。掃描頻率（每秒點(diǎn)數(shù)，Points Per Second）決定了點(diǎn)云密度，例如自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)通常需要≥200 萬(wàn)點(diǎn) / 秒，以保證對(duì)快速移動(dòng)目標(biāo)的識(shí)別精度。