2. 激光雷达基础

激光雷达是3D SLAM与点云感知系统中最核心的传感器之一。它通过主动发射激光并接收回波，直接获得目标距离与方位信息，从而在无需纹理和外部光照的条件下构建高精度三维点云。理解激光雷达的测距原理、扫描结构以及点云的数据组织方式，是后续标定、配准、建图和感知算法开发的基础。

一、核心测距原理：TOF与FMCW

目前主流激光雷达的测距机制可分为两大类：脉冲飞行时间法（TOF）和调频连续波法（FMCW）。

TOF（Time of Flight）通过发射短脉冲激光，测量激光从发射到被目标反射后返回接收器的时间差 Δt，再结合光速 c 计算距离：

d = c × Δt / 2
其中 c ≈ 3×10^8 m/s，除以2是因为激光经历了往返路径。

TOF 的优点是原理简单、探测距离远、响应快，适合中长距扫描。其难点在于需要精确测量极短时间间隔，例如 1 cm 距离对应约 66.7 ps 的时间差，因此对计时电路和脉冲检测要求很高。同时，环境光、雨雾和低反射率目标会降低回波信噪比。

FMCW（Frequency Modulated Continuous Wave）发射的是频率随时间线性变化的连续激光，通过比较发射信号与回波信号的频率差来解算距离，同时利用多普勒频移获得目标径向速度。其核心关系可表示为：

f_beat = (2B / T_chirp) × (d / c) + 2v / λ
其中 B 为调频带宽，T_chirp 为调频周期，v 为径向速度，λ 为激光波长。

FMCW 的优势在于可同时测距测速、抗环境光干扰强、灵敏度高，并且不存在脉冲峰值功率过高的问题。缺点是系统复杂、成本较高，对激光器相干性和信号处理要求更严格。近年来，FMCW 在自动驾驶前向主雷达中受到越来越多关注。

二、机械式、固态与混合固态结构

按照扫描方式，激光雷达可分为机械式、固态和混合固态三类。

• 机械式激光雷达：通过电机带动整个光学头或反射棱镜旋转，实现360°水平扫描。典型代表是早期64线、128线激光雷达。其优点是视场完整、点云均匀，缺点是体积大、成本高、机械磨损明显，长期可靠性受轴承和电机影响。
• 固态激光雷达：没有宏观运动部件，主要依靠光学相控阵（OPA）、Flash 面阵或可调谐激光等方式实现扫描。优点是体积小、寿命长、抗震性好，适合车规级量产；难点在于视场角、探测距离和旁瓣控制。
• 混合固态激光雷达：介于两者之间，通常保留少量运动部件，如MEMS微振镜、转镜或棱镜。MEMS方案通过微米级振镜偏转激光实现扫描，兼顾了固态的小型化和机械式的较好视场。转镜方案则通过旋转反射面改变光路，常见于中短距补盲雷达。

从工程选型看，机械式适合研发验证和测绘场景，混合固态适合量产乘用车，固态则更偏向未来全固态架构。不同结构直接影响点云密度、视场角、帧率和安装方式。

三、点云数据格式与坐标系定义

激光雷达输出的是离散三维点集合，每个点通常包含坐标、强度、时间戳、线号等信息。常见格式包括：

在 ROS 中，点云常以 sensor_msgs/PointCloud2 消息发布，其字段布局由 fields 数组描述。一个典型点云消息片段如下：

header:
  frame_id: "velodyne"
height: 1
width: 120000
fields:
  - name: x, offset: 0, datatype: FLOAT32
  - name: y, offset: 4, datatype: FLOAT32
  - name: z, offset: 8, datatype: FLOAT32
  - name: intensity, offset: 12, datatype: FLOAT32
is_dense: false

坐标系方面，激光雷达通常定义自己的传感器坐标系：原点位于激光发射中心，x 轴指向正前方，y 轴指向左方，z 轴指向上方，符合右手定则。该坐标系称为 lidar_link 或 velodyne。在 SLAM 系统中，还需要区分世界坐标系、机体坐标系和雷达坐标系，并通过外参标定建立变换关系。

四、典型场景与常见误区

以自动驾驶为例，车顶机械式激光雷达负责360°环境建模，前向混合固态雷达负责远距目标检测，侧向补盲雷达负责近距盲区覆盖。多雷达融合时，必须统一时间戳和坐标系，否则会出现点云错位和运动畸变。

常见误区包括：

• 把 TOF 和 FMCW 简单理解为“测距方式不同”，忽略 FMCW 还能直接测速。
• 认为固态雷达一定优于机械式，实际上固态雷达在视场角和远距探测上仍有挑战。
• 忽略点云时间戳，导致高速运动下点云出现“拖影”或“分层”。
• 混淆雷达坐标系与相机坐标系，未做外参标定就直接融合。