第2章：激光雷达模型（Lidar）
2.1 激光雷达工作原理
激光雷达这东西，说白了就是「用光来测距」。我刚开始接触时也觉得挺玄乎，后来拆开一个Velodyne的激光雷达才明白——原理其实不复杂。
核心思路就三步：
- 发射激光脉冲：激光器发出一个极短的光脉冲
- 接收反射信号：光打到物体表面后反射回来
- 计算飞行时间：用光速乘以时间差，距离就出来了
公式很简单：距离 = (光速 × 飞行时间) / 2。除以2是因为光走了个来回。
我在项目中遇到过一个问题：激光雷达在雨雾天气下性能下降特别明显。为什么？因为水滴会散射激光，导致回波信号变弱甚至丢失。嗯，这个后面讲噪声模型时会细说。
关键参数速查表
| 参数 | 典型值 | 说明 |
|---|---|---|
| 波长 | 905nm / 1550nm | 905nm便宜但人眼安全受限，1550nm功率更高 |
| 线数 | 16 / 32 / 64 / 128 | 线数越多，点云越密 |
| 水平视场角 | 360° | 机械式旋转扫描 |
| 垂直视场角 | 30°~45° | 不同型号差异大 |
| 测距精度 | ±2cm~±5cm | 受温度和反射率影响 |
2.2 Apollo中的激光雷达模型配置
Apollo的激光雷达模型配置，我建议你重点关注两个文件：lidar_params.pb.txt 和 lidar_model_params.pb.txt。前者定义硬件参数，后者定义仿真模型参数。
举个例子，一个64线激光雷达的配置大概长这样：
# lidar_params.pb.txt
lidar_name: "velodyne_hdl64"
channel: 64
horizontal_resolution: 0.17 # 度
vertical_fov_min: -24.8 # 度
vertical_fov_max: 2.0 # 度
max_range: 120.0 # 米
min_range: 0.5 # 米
rotation_frequency: 10.0 # Hz
你想想看，为什么垂直视场角不对称？因为激光雷达通常安装在车顶，需要更多向下看的线束来检测近处地面和障碍物。我曾经调过一辆车的参数，发现垂直角度偏移了0.5度，结果地面点云全飘了——后来发现是安装支架变形了。
避坑指南：我曾经把水平分辨率设得太高（0.1度），结果点云数据量爆炸，CPU直接跑满。后来我学乖了——仿真时用0.2度，实际部署时根据算力调整。
2.3 光束模型与射线模型
这两个模型是激光雷达仿真的核心。我简单解释一下：
- 光束模型（Beam Model）：把激光看作一束有宽度的光锥。它更接近物理真实，但计算量大。
- 射线模型（Ray Model）：把激光看作一条无限细的射线。计算快，但精度稍差。
Apollo里默认用的是射线模型。为什么？说白了就是快。你想想看，一帧点云可能有几十万个点，每个点都做光束模型的光锥计算，那CPU得冒烟。
但射线模型有个坑：它容易漏掉小物体。比如一根细电线杆，射线可能刚好从旁边擦过，而光束模型因为有一定宽度，反而能检测到。我在做高速公路场景测试时就遇到过——射线模型死活检测不到路边的细杆，换成光束模型就好了。
模型对比
| 特性 | 光束模型 | 射线模型 |
|---|---|---|
| 物理真实度 | 高 | 中 |
| 计算开销 | 高 | 低 |
| 小物体检测 | 好 | 差 |
| Apollo默认 | 否 | 是 |
2.4 噪声模型与遮挡模拟
激光雷达的噪声，我归纳为三类：
- 高斯噪声：测距时的随机误差，服从正态分布。典型标准差2~5cm。
- 反射率噪声：低反射率物体（如黑色轮胎）回波弱，测距精度下降。
- 运动畸变：车辆运动导致点云变形。这个在Apollo里通过运动补偿解决。
遮挡模拟就更有意思了。激光雷达是直线传播的，所以物体后面必然有盲区。Apollo的遮挡模拟算法很简单：
# 伪代码示意
for each laser_ray:
hit_point = raycast(scene, ray)
if hit_point exists:
mark hit_point as visible
# 从hit_point往后，所有点都标记为遮挡
mark_occluded_points(hit_point, ray.direction)
我曾经在停车场场景里吃过亏——一辆SUV后面藏着个小孩，激光雷达完全没扫到。后来我在仿真里专门加了遮挡测试用例，确保感知算法能处理这种「突然冒出来」的情况。
注意：遮挡模拟不是简单的「看不见就完事」。实际中，激光可能会从物体边缘「漏」过去，形成部分遮挡。Apollo的模型目前还做不到这么精细，但已经够用了。
知识体系总览
下面这张图是我自己画的，帮你理清本章的核心逻辑：
这张图把本章内容串起来了。你从中心节点出发，沿着三条分支走一遍，基本就能把握住激光雷达模型的整体脉络。
个人建议：刚开始做激光雷达仿真时，别急着调噪声参数。先把射线模型跑通，确认点云能正确生成，再一步步加噪声和遮挡。我见过太多人一上来就调高斯噪声，结果点云都飘到天上去了还不知道为什么。
好了，这一章就到这里。激光雷达模型说复杂也复杂，说简单也简单——核心就是「发射-接收-计算」这三板斧。你只要把光束模型和射线模型的取舍想清楚，噪声和遮挡的坑踩一遍，后面做传感器融合就轻松多了。