激光雷达

每秒两百多万个点

车顶上的传感器有 128 束激光。光学头每秒转 10 圈，每圈分 2048 个方向，每个方向 128 束各测一次距离：每秒 2,621,440 个点。

一圈下来，四周 360 度、上下约 42 度以内的东西都成了带坐标的点。数据表给出的测距精度约为 ±2 到 3 厘米（典型值），能测到一百多米外。

街道是 1:100 的模型。点的颜色表示离传感器多远：近处偏红，远处偏紫。

128 线 × 2048 × 10 圈/秒 = 2,621,440 点/秒（单回波）

给光计时

测距靠计时。激光器发出一个很短的光脉冲，碰到物体反射回来，探测器记下来回用了多久。

距离 = 光速 × 时间 ÷ 2。除以 2，是因为光走了一个来回。

光 1 纳秒走约 30 厘米。1 米外的物体，来回约 6.67 纳秒；要分辨 1 厘米，计时要准到约 67 皮秒。

画面里的脉冲按真实路线走，速度放慢了约 3000 万倍。

d = c·t / 2 · 1 m ↔ 6.67 ns · 1 cm ↔ 66.7 ps

一圈一圈

一个脉冲只测一个点。要测出四周，光学头就得转起来。常见转速是每秒 10 或 20 圈。

头里不是一束激光，而是竖着的一列。每一束有固定的仰角，从向下二十多度到向上十几度。头转一圈，每一束在四周画出一圈点。

打在平地上，这些圈是同心圆。向下 21.2° 的那一束，从 2.2 米高处出发，落在 5.7 米外；越接近水平，圈越大，也越稀。

地上圈的半径 = 安装高度 ÷ tan(俯角)

16、32、64、128 线

线数越多，竖直方向越密。16 线相邻两束差 2°，20 米外两圈相隔约 70 厘米；128 线相邻两束差约 0.33°，相隔约 12 厘米。

转得越快，刷新越勤，每圈的点也越稀，因为每束每秒发射的次数是固定的。VLP-16 每秒转 10 圈时水平每 0.2° 一个点，转 20 圈时每 0.4° 一个。

四种常见布局：16 线约 30 万点/秒，32 线约 70 万，64 线约 130 万，128 线约 260 万（单回波）。

VLP-16 · HDL-32E · HDL-64E S3 · OS1-128（数据表）

剖开传感器头

传感器头按原大剖开：直径约 10 厘米，和常见的 16 到 128 线产品差不多。

外壳是黑色阳极氧化铝。中间一圈深色玻璃是窗，激光从这里进出。外壳不动，窗里的光学头在转。

从下往上：主电路板、电机、无线供电线圈、编码器盘、光学头（上面一只透镜发射，下面一只接收）、顶盖。剖面涂成红色，是博物馆剖面模型的习惯。

一列激光器，一只透镜

发射一侧：一列激光器排在上面那只透镜的焦平面上。

透镜把位置变成方向。激光器离透镜轴越远，光束偏得越多；在轴上方的那颗，光束朝下走，在下方的朝上走。每一束的仰角就这样固定下来。

每一束每秒发射约两万次。近红外光人眼看不见，这里画成了细红线。

仰角 = −arctan(离轴高度 / 焦距)

每一束光，一个探测器

接收一侧：下面那只透镜把回来的光聚到一列探测器上。从哪个仰角回来，就落在哪个探测器上，每束激光都有自己的探测器。

回来的光很弱。探测器要能感到很少的光子：常用雪崩光电二极管（APD），或单光子雪崩二极管（SPAD）阵列。

发射和接收之间有一道隔板，挡住发出去的光，不让它直接漏进探测器。

转动、供电、知道朝向

光学头装在轴承上，由下面的电机带着转。每秒 10 圈是每分钟 600 转，20 圈是 1200 转。

转着的部分要用电，还要把数据送下来。一种办法是滑环：电刷压在转动的铜环上。另一种是这里画的：一对隔着空气的线圈，像变压器一样把电能感应过去，数据也不接触地传下来。

编码器告诉系统光学头此刻朝向哪里：一片带细缝的圆盘跟着转，读数头数经过的缝。每个点的方位角来自它。

10 圈/秒 · 2048 步/圈 → 每步 0.176°

900 纳米，还是 1550 纳米

多数车用激光雷达用 900 纳米附近的近红外光：这里引用的数据表里是 865、903 和 905 纳米。硅探测器在这个波长灵敏、便宜，可以做成大阵列。硅只对约 1100 纳米以下的光有反应。

另一些用 1550 纳米。这个波长的光主要被眼睛前部（角膜、房水、晶状体）吸收，不会聚焦到视网膜上，安全限值允许的功率高得多，所以能打得更远。代价是硅探测器对它没有反应，要用铟镓砷（InGaAs）探测器，更贵。

两种都按 IEC 60825-1 做成 1 类激光产品：在合理可预见的使用条件下对眼睛安全。

硅：约 1.1 μm 以下 · InGaAs：约 0.95–1.7 μm（Hamamatsu）

不转的激光雷达

转动的头有电机和轴承，会磨损，也占地方。不转的方案主要有三种。

MEMS 微镜：芯片上一片很小的镜子来回摆动，把光束扫过视场。仍有运动部件，但非常小。

闪光式（Flash）：一次照亮整个视场，用一块二维探测器阵列同时接收，像相机拍照。没有运动部件，但光被摊开，射程通常较短。

光学相控阵（OPA）：许多发射单元，调节它们之间的相位，光束就转向，和相控阵雷达同理。完全固态；2020 年的一篇综述说当时还没有商用产品。

顺便测出速度

前面说的都是脉冲式：数光走了多久。调频连续波（FMCW）激光雷达不发脉冲，而是连续发出频率不断变化的光，把回来的光和正在发出的光混在一起，频率差就给出距离。

物体在动，回来的光还会多出一个多普勒频移 f = 2v/λ。在 1550 纳米，沿视线每秒 1 米的速度对应约 1.29 MHz。所以每个点除了位置，还直接带着速度。FMCW 激光雷达通常工作在 1550 纳米附近。

画面里按这个道理给点上色：朝传感器来的偏红，离开的偏蓝，不动的灰色。

f_D = 2v / λ · 1 m/s @ 1550 nm ≈ 1.29 MHz

雾和黑漆

雾滴把光往各个方向散射。光要穿雾两趟，回波按指数衰减。能见度降到几十米时，远处的点先没了。

有些光被传感器附近的雾滴直接弹回来，成了围着车的一团假点（灰色）。

有的黑色车漆只反射几个百分点的近红外光，回波弱，也先消失。所以数据表要写明反射率：Ouster OS1 对 80% 反射率的目标测到 170 米，对 10% 的是 90 米。

回波接近门限时，计时变得不准，点会前后抖动。

两趟衰减 e^(−2αR) · α ≈ 3.912 / 能见度

玻璃后面的幽灵点

光滑的玻璃像镜子。光束打到橱窗上，被反射到别处，再沿原路回来。传感器只知道时间，以为光是沿自己那条直线走的，就把点画到玻璃后面，那里其实什么也没有。

这里把模型隐去，只留下点。橱窗后面紫红色的点，就是这样多走了一段路的“幽灵点”。积水的路面也会这样，把点画到地面以下。

处理软件要利用镜面对称之类的几何关系，把它们找出来去掉。

拆开来看

传感器头的零件沿轴线拉开。指针停在哪个零件上，它就被单独托出来，标出名字。