Lidar and Millimeter Wave Radar

Time:2023-10-30 Reading times:2422

伴随无人驾驶的日趋成熟,机器之眼也从高端局走向了普罗大众,主流用于周围环境感测的传感器激光雷达、毫米波雷达的纷争也随之成为大家茶余饭后的热议话题。本篇则抛砖引玉,带大家粗浅的了解它们的原理、系统架构、探测方式、应用及优缺点。

激光雷达

激光雷达是一种集激光、全球定位系统 (GPS) 和惯性测量设备三种技术于一身的系统,也称为LiDAR (Light Detection and Ranging) 。

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激光雷达(Model:ABAX-CZ-80)

激光雷达以激光器为辐射源雷达,通过向目标发射激光束探测目标的位置、速度等特征量,并根据接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较,经过适当处理后,可以获得目标的有关信息,如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数,从而实现对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。

以下是激光雷达技术与应用的一些关键知识点:

1、工作原理

激光雷达的工作原理是向目标发射探测信号(激光束) ,然后将接收到的从目标反射回来的信号 (目标回波)与发射信号进行比较,作适当处理后,就可获得目标的有关信息,如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数。

2、系统组成

激光雷达系统主要由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成。其中,激光发射机将电脉冲变成光脉冲发射出去,光学接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲,然后送到显示器进行显示。

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(图片来源网络,侵删)

3、探测方式

1. 直接探测激光雷达

直接探测激光雷达通过直接接收目标反射或散射的激光束,从而获取目标的信息。这种方式的优点是简单可靠,适用于远距离探测和高速运动目标的测量。但是,由于直接探测激光雷达的接收器会接收到背景噪声和其他干扰信号,因此需要采取一定的抗干扰措施。

2. 干涉仪激光雷达

干涉仪激光雷达利用激光束的干涉现象来探测目标。当两束激光干涉时,会产生明暗相间的条纹,通过测量条纹的数量和变化,可以确定目标的距离和速度。干涉仪激光雷达具有高精度和高分辨率,但是需要稳定的干涉条件和精密的测量仪器,因此成本较高。

3. 扫描激光雷达

扫描激光雷达通过扫描激光束来获取目标的信息。它通常采用机械或非机械方式来控制激光束的指向,对目标进行逐点扫描,并接收反射或散射的激光信号。扫描激光雷达可以获得目标的详细一维形状和位置信息,但是扫描时间和数据采集时间较长。

4. 相控阵激光雷达

相控阵激光雷达采用一组小型发射器阵列来发射激光束,并通过相位控制技术来精确控制每个发射器的相位,这种方式的优点是具有高精度、高分辨率和高速数据采集能力,同时具有较广的视角和较强的抗干扰能力。但是,相控阵激光雷达的成本较高,并且需要复杂的控制系统和技术。

4、应用领域

激光雷达被广泛用于航空测量地形测绘、无人驾驶、气象观测、遥感等领域。相比普通微波雷达,激光雷达因为使用的是激光束,工作频率较高,从而具有更高的精度和分辨率。同时,由于激光雷达的隐蔽性好,抗干扰能力强,使得它在军事应用中也有着广泛的应用前景。

5、激光雷达优缺点

激光雷达优点主要表现在以下几点:

1.分辨率高

激光雷达的分辨率较高,能够获取目标的详细信息,如速度、距离、角度等。

2.抗干扰能力强

激光雷达的信号是光速,不易受电磁干扰和无线电干扰。

3.信息处理能力强

激光雷达可以获取目标的多种信息,如形状、大小、方向等,便于进行目标分类和识别。

激光雷达缺点:主要表现在成本相对较高,对环境要求较高、难以处理复杂环境和恶劣天气等方面。


毫米波雷达

毫米波雷达是工作在毫米波波段 (30~300GHz,波长为1~10mm) 的雷达。它兼有微波雷达和光电雷达的一些优点,具有高分辨率、高灵敏度、抗干扰和反隐身能力强的特点,穿透雾、烟、灰尘的能力也较强,全天候(大雨天除外)全天时工作。因此,毫米波雷达在目标识别、成像、跟踪、测量和定位等方面具有广泛应用。

以下是毫米波雷达技术与应用的一些关键知识点:

1、工作原理

通过发射机发射毫米波信号,信号遇到目标后反射毫米波信号遇到目标后,会反射回来,被雷达接收机接收。通过对反射信号的频率、相位、幅度等信息进行测量和比较,可以获得目标的距离、速度、方位角等信息。

2、系统组成

毫米波雷达系统通常由天线、发射器、接收器、处理器等部分组成。其中,发射系统是毫米波雷达的核心部件,主要由射频发生器、功率放大器、锁相环等组成,主要负责产生并放大毫米波信号,以便向目标物体发射;接收系统则主要由低噪声放大器、混频器、滤波器等部分组成,主要负责将接收到的毫米波信号放大和滤波,同时进行信号处理。

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(图片来源网络,侵删)

3、探测方式

1.脉冲雷达

脉冲雷达通过发射毫米波段的脉冲信号,然后接收目标物体反射回来的信号,通过测量反射信号的时间差和相位差来计算目标物体的距离和速度。

2.连续波雷达

连续波雷达通过发射连续的毫米波信号,同时接收目标物体反射回来的信号,通过测量反射信号的频率变化来计算目标物体的距离和速度。

3.合成孔径雷达

合成孔径雷达通过发射毫米波信号,然后接收目标物体反射回来的信号,通过多个脉冲信号的相位差来计算目标物体的距离和速度。

4、应用领域

毫米波雷达具有高分辨率、高精度、高可靠性、抗干扰能力强等优势,被广泛应用于汽车交通、医学、建筑、航空航天、安全监控等领域,尤其在自动驾驶汽车、智能城市等领域中具有非常重要的作用。

5、毫米波雷达优缺点

毫米波雷达优点主要表现在以下几点:

1.穿透能力强

毫米波雷达可以穿透雾雨、雪等恶劣天气,具有较强的穿透能力。

2.识别能力强

毫米波雷达可以识别物体的形状和大小,能够较好地分辨出车辆、行人等不同目标。

3.成本适中

毫米波雷达的成本相对较低,适合大规模生产和应用。

毫米波雷达缺点主要表现在:分辨率较低、对移动目标的检测能力较弱、容易受到地形和建筑物等复杂环境的影响等方面。

结语

综合来看,激光雷达和毫米波雷达各有优劣,需要根据具体应用场景来选择合适的传感器。例如,在需要高精度和高分辨率的应用场景下,可以选择激光雷达;而在需要穿透能力强、成本适中的应用场景下,则可以选择毫米波雷达。