激光雷达知识分享，激光雷达性能测试

激光雷达的定义：

激光雷达是一种利用激光作为探测光源，通过发射、接收并分析激光与目标物相互作用后返回的信号，以获取目标距离、速度、形状、纹理等信息的主动遥感技术。其工作原理基于激光测距和多普勒效应，通过精确测量激光脉冲往返时间（TimeofFlight, ToF）或相位差，结合激光波长和光速，计算目标的距离；通过分析返回信号的多普勒频移，确定目标的运动状态。激光雷达系统通常包括激光发射单元、接收单元、数据处理单元和旋转或扫描机构等部分。

激光雷达的应用领域：

1. 自动驾驶与高级驾驶辅助系统（ADAS）：车载激光雷达为车辆提供高精度的环境感知能力，包括障碍物检测、道路边界识别、交通标志识别等，是实现自动驾驶的关键传感器之一。

2. 地理信息测绘与城市建模：机载或地面激光雷达用于地形地貌测绘、城市三维建模、森林资源调查、灾害监测等，生成高精度的数字高程模型（DEM）、点云数据等地理信息产品。

3. 无人机应用：无人机搭载激光雷达进行电力巡检、农业监测、环境监测、考古勘查等任务，提供实时、精确的地形与目标数据。

4. 气象观测：机载激光雷达用于云层结构分析、大气成分探测、风速测量等气象研究。

5. 安防监控：固定式或移动式激光雷达用于边境监控、港口安全、重要设施防护等，实现远距离、全天候的目标探测与跟踪。

6. 机器人与工业检测：在工业自动化、物流仓储、服务机器人等领域，激光雷达用于避障导航、物体识别与定位。

激光雷达的测试方法：

1. 距离精度测试：使用已知距离的标准靶标，对比激光雷达测得距离与实际距离的偏差，评估距离测量准确性。

2. 角度精度测试：通过精密转台控制激光雷达指向已知角度的反射靶，测量实际扫描角度与设定角度的差异，评估角度测量精度。

3. 点云质量评估：采集特定场景的点云数据，分析点云密度、噪声水平、地面点滤波效果、特征提取能力等。

4. 动态性能测试：在模拟或实际移动平台上测试激光雷达对运动目标的检测能力，包括跟踪精度、刷新率、多目标处理能力等。

5. 环境适应性测试：在不同光照、气候、目标反照率条件下，评估激光雷达的性能稳定性及抗干扰能力。

6. 电磁兼容性（EMC）测试：验证激光雷达在电磁环境下正常工作的能力，包括抗电磁干扰（EMI）和电磁辐射（EMR）两方面。

激光雷达的测试标准：

1. ISO 16323:2015：地球科学  使用机载激光雷达进行地形测绘的标准方法。

2. ASTM E57.04：美国材料与试验协会标准，规定了地面激光雷达系统的性能测试方法。

3. SAE J3016：美国汽车工程师学会标准，定义了自动驾驶系统的等级划分，间接规定了车载激光雷达的技术要求。

4. IEC 608251：国际电工委员会标准，规定了激光产品的安全要求，适用于激光雷达的激光安全评估。

激光雷达安全标准：

1. IEC 608251：通用激光产品安全标准，规定了激光产品的分类、要求和用户指南，激光雷达应遵循相应激光安全等级的防护措施。

2. IEC 6082514：专门针对激光雷达的安全标准，详细规定了激光雷达的发射特性、人眼暴露限值、防护措施等安全要求。

激光雷达性能指标与参数：

1. 测距精度：通常以±（米）表示，衡量激光雷达测距的绝对误差。

2. 角分辨率：通常以°或mrad表示，反映激光雷达在垂直和水平方向上区分相邻目标的能力。

3. 测速精度：通常以±（m/s）表示，衡量激光雷达对目标速度测量的准确性。

4. 点云密度：单位时间内或单位面积内激光雷达生成的点数量，反映数据采集的密集程度。

5. 最大测距：激光雷达能够有效探测的最远距离，通常受激光功率、接收灵敏度和大气衰减等因素影响。

6. 扫描速率：激光雷达完成一次完整扫描所需的时间或每秒扫描线数，影响实时性与数据更新速率。

7. 激光波长：常用的激光雷达波长有905nm、1550nm等，波长选择影响穿透力、人眼安全性和大气散射等特性。

8. 功耗：激光雷达工作时的电能消耗，影响系统集成与续航能力。

9. 尺寸与重量：对车载、无人机等应用的集成便利性与负载能力有直接影响。

905nm激光雷达和1550nm激光雷达的比较

激光雷达最常使用的波长为905nm和1550nm。

关于激光波长，绕不开的一个话题就是人眼安全。当一束强烈的可见光照射眼睛，我们会本能的闭上眼睛来躲避光线。但是对于激光这种不可见的近红外光，当眼睛被照射时，眼睛并不会注意到它，如果累积了足够的能量，激光就会对我们的眼睛造成不可逆的伤害，包括视网膜灼伤以及白内障。为了评价这种伤害的级别，国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）制定了一份激光安全标准IEC 60825，标准中根据最大允许暴露度（Maximum Permissible Exposure，MPE）对激光进行分类。MPE指在给定波长和持续时间内，在不允许引起生物组织损伤的情况下，每单位面积允许的最大激光能量。

从图中可以看出，任何脉宽的1550nm激光器的MPE值都要比950nm激光器的MPE值高，这意味着人眼能承受更大能量的1550nm激光的照射，这意味着1550nm激光雷达将拥有更高的发射功率。

   功率高、却能保证人眼安全的原因是1550nm的激光容易被水吸收，而人眼表面正好有一层水（眼液），这层水一定程度上帮我们吸收了大量激光辐射。

   激光雷达发射功率高带来的最直接好处就是探测距离将更远，一个1550nm激光雷达，在10%反射率的前提下，测距能力达到250m。而使用了905nm激光雷达，在10%反射率的前提下，测距能力只有150m。

   有矛就有盾，1550nm激光雷达的盾就是雨天，据部分公司的实测数据显示：2毫米厚的水薄膜都能将1550nm激光的90%能量吸收掉，这意味这小雨天要慎用、中雨及大雨用不了。

   当然业界有一种声音，觉得如果雨水呈片状的“水帘”或“水滩”的话，1550nm激光被吸收的概率很大，但是如果是“雨点”的话，基本不具备完全屏蔽1550nm激光的能力。

其实这种声音忽略了被测物体，无论大雨还是小雨，无论被测物体静止还是移动，在雨中呆上一段时间后表面都会形成一层水膜，所以你即使能躲避雨滴的吸收，你能躲避得了被测物体上的水膜？

虽然1550nm激光雷达并非完美无缺，但是总结起来1550nm激光雷达整理性能明显更优于905nm激光雷达。

第一：经过激光安全测试的1550nm激光雷达，发出的1550nm光波不会伤害人眼，虽然发射功率要比905nm高了一些，但也在人眼安全可视范围内，对人体健康无损害；

第二：由于光束亮度高、光束准直性更好，抗阳光干扰能力强，在烈日曝晒，阳光强度高的实际场景中，抗干扰强。

比如行驶在隧道中，由明到暗肉眼是很好识别的，但由暗到明，肉眼需要适应光线亮度后才能识别获取信息，也就是我们所谓的“刺眼”。其实摄像头也存在这样的问题，里面的CMOS在强弱光进行交替时，会出现短暂的“失明”。

而激光雷达就不存在这样的问题，因为不受光线的干扰，所以即便行驶到接近隧道出口，也能很好的辨别前面情况。

第三：探测距离远，最长探测距离500m，即便反射10%，也能保证有250m的距离，为道路预判和感知留足了反应时间。

总体而言，905nm激光雷达和1550nm激光雷达各有自己的优缺点，选择哪一种波长还需要根据实际的现实需求去决定。

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