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一．激光雷達(dá)介紹

   激光雷達(dá)的工作原理與雷達(dá)非常相近，以激光作為信號源，由激光器發(fā)射出的脈沖激光，打到地面的樹木、道路、橋梁和建筑物上，引起散射，一部分散射光波會反射到激光雷達(dá)的接收器上，根據(jù)激光測距原理計算，就得到從激光雷達(dá)到目標(biāo)點的距離，以雷達(dá)為原點，就可以得到目標(biāo)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，脈沖激光不斷地掃描目標(biāo)物，就可以得到目標(biāo)物上全部目標(biāo)點的數(shù)據(jù)，用此數(shù)據(jù)進行成像處理后，就可得到的三維立體圖像。

  激光雷達(dá)zui基本的工作原理與無線電雷達(dá)沒有區(qū)別，即由雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送一個信號，經(jīng)目標(biāo)反射后被接收系統(tǒng)收集，通過測量反射光的運行時間而確定目標(biāo)的距離。至于目標(biāo)的徑向速度，可以由反射光的多普勒頻移來確定，也可以測量兩個或多個距離，并計算其變化率而求得速度，這也是直接探測型雷達(dá)的基本工作原理。由此可以看出，直接探測型激光雷達(dá)的基本結(jié)構(gòu)與激光測距機頗為相近，其原理框圖如下所示：

二．Velodyne激光雷達(dá)產(chǎn)品

Velodyne公司的激光雷達(dá)，采用多個激光器，通常是32個和64個兩種，形成掃描陣列，在垂直方向形成一個張角，以每分鐘600轉(zhuǎn)到1200轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)掃描，從而可以得到非常詳細(xì)的實時三維點云數(shù)據(jù)。這個數(shù)據(jù)包含目標(biāo)的三維坐標(biāo)，距離，方位角，反射激光的強度（0-255分級），激光編碼，時間，以及GPS/IMU的數(shù)據(jù)，以UDP的形式通過以太網(wǎng)實時發(fā)送。

Velodyne工作原理是使用64/32束短脈沖激光，根據(jù)激光測距的原理，雷達(dá)發(fā)出的激光照射到物體上，經(jīng)物體散射返回，被接收器探測到之后，獲得目標(biāo)數(shù)據(jù)。由于激光的速度很快，相對于80m/100m的探測距離，我們可以認(rèn)為獲得的數(shù)據(jù)是實時的。同時雷達(dá)水平方向360度旋轉(zhuǎn)，我們就可以得到一個垂直扇區(qū)為26度/40度的范圍內(nèi)所有目標(biāo)物體的三維數(shù)據(jù)。

其32個激光器的產(chǎn)品型號是HDL-32E，使用905nm，脈沖寬度為5ns的一級人眼安全激光，探測范圍是1m至80m，每秒可以獲得70萬個點云數(shù)據(jù)，擁有+10°至-30°的垂直張角，水平方向360°掃描，掃描準(zhǔn)確度小于2cm，垂直角分辨率為1.33°，水平角分辨率為0.16°（600rpm）。同時HDL-32E擁有IP67級的防護標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)置MEMS加速傳感器和陀螺儀，預(yù)留GPS和IMU數(shù)據(jù)接口，使GPS和IMU可以整合在雷達(dá)輸出的數(shù)據(jù)中，可以應(yīng)對多種使用環(huán)境。并且其體積很小巧，外形尺寸為Φ100mm*150mm的圓柱體，重量小于2Kg，可以方便的安裝到汽車，無人飛機，遙控汽車等各種設(shè)備上，使用100MBPS UDP以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，並使用12V/ 2Amps的直流電源供電。

HDL-64E，使用64個激光器，同樣為905nm，脈沖寬度為5ns的一級人眼安全激光，探測距離增加到120m，每秒可以獲得133萬個點云數(shù)據(jù)，垂直張角為+3°至-23°，水平方向360°掃描，掃描準(zhǔn)確度小于2cm，垂直角分辨率為1.33°，水平角分辨率為0.16°（600rpm）。同樣是IP67級的環(huán)境防護，內(nèi)置MEMS加速傳感器和陀螺儀，預(yù)留GPS和IMU數(shù)據(jù)接口，使GPS和IMU可以整合在雷達(dá)輸出的數(shù)據(jù)中，可以應(yīng)對多種使用環(huán)境，使用100MBPS UDP以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，使用15V+/-1.5V，4Amps的直流電源供電。zui大外形尺寸為140mm*140mm*254mm，重量小于13Kg。

三．Velodyne激光雷達(dá)產(chǎn)品的應(yīng)用

Velodyne創(chuàng)新型的激光雷達(dá)廣泛應(yīng)用于無人駕駛汽車，無人小型飛機，無人運貨車，移動測繪車，街景車，游艇，機場等各個方面。可以說，只要你需要詳細(xì)的三維點云數(shù)據(jù)，你都可以用到他。樂隊Radiohead甚至把它用在自己的電子音樂MV《House of Cards》中。Google的無人車全部使用Velodyne的激光雷達(dá)作為無人車的眼睛[3]，每年由美國*預(yù)先研究計劃局（DARPA）舉辦的無人車挑戰(zhàn)賽，大多數(shù)車隊均是使用Velodyne的激光雷達(dá)，并且獲得了不錯成績。*重大研究計劃“視聽覺信息的認(rèn)知計算”的重要組成部分-中國智能車未來挑戰(zhàn)賽（Future Challenge），每年的大部分參賽車隊也都是使用Velodyne的激光雷達(dá)。

目前幾乎所有自動駕駛汽車都在使用這個技術(shù)。

Velodyne的另一個重要的應(yīng)用時移動測繪和街景地圖，Nokia的Navteq公司是*兩大地圖廠商之一，他們使用Velodyne的激光雷達(dá)的Here Living Maps擁有大量的用戶，和巨大的市場。同時TOPCON，Mandi，LidarUSA等公司也是Velodyne的使用者。國內(nèi)的幾大互聯(lián)網(wǎng)公司都在使用Velodyne激光雷達(dá)。

同時，也有很多研究機構(gòu)和大學(xué)實驗室使用Velodyne的激光雷達(dá)，例如浙江大學(xué)提出一種室外動態(tài)未知環(huán)境下自主車的多障礙實時檢測與跟蹤的算法。使用Velodyne HDL-64E三維激光雷達(dá)，其數(shù)據(jù)量大、精度高等特點，采用其與相機結(jié)合感知環(huán)境，結(jié)合從圖像處理中得到的道邊信息，在自主車平臺上能夠以每幀100ms實現(xiàn)準(zhǔn)確、穩(wěn)定地檢測和跟蹤障礙物。

使用Velodyne的激光雷達(dá)獲得周圍環(huán)境的信息。

并且，Velodyne也和美國軍方合作多個項目，例如Squad Mission Support System小隊任務(wù)支持系統(tǒng)SMSS，Ground Unmanned Support Surrogate地面無人支持機器系統(tǒng)GUSS等，均使用Velodyne的激光雷達(dá)作為數(shù)據(jù)的獲得，即這些系統(tǒng)的“眼睛”。

四．結(jié)語

Velodyne的zui大特點是可以獲得非常詳細(xì)的環(huán)境數(shù)據(jù)，每秒70萬/133萬個，解決了獲得如何獲得詳細(xì)的環(huán)境數(shù)據(jù)這個難題，并且其905nm的短脈沖激光束可以方便的排除環(huán)境噪聲干擾，并且其激光的特性對于強光，弱光，甚至無光線的環(huán)境都可以獲得正確的數(shù)據(jù)，同時在一些對身體有害的環(huán)境，例如高輻射，毒氣等高危險的環(huán)境，可以方便的使用遙控設(shè)備安裝Velodyne激光雷達(dá)獲得數(shù)據(jù)。并且其可高速移動的特性，在測繪方面有很重要的應(yīng)用意義。

這個“眼睛”可以賦予機器感知周圍環(huán)境的能力，對于環(huán)境探測，智能控制，自動化，移動測繪，機器人，智能交通，智能識別，智能控制，環(huán)境監(jiān)測，城市建模，測量測繪，人工智能，3D動畫制作等各個方面的應(yīng)用都有重大的促進作用。

與此同時，的開源軟件包VTK、ITK以及CMake等軟件的開發(fā)商Kitware與Velodyne聯(lián)合推出開源點云可視化軟件VeloView，并在github公布了源碼，VeloView是Kitware針對點云可視化做的一個拓展，其以前主要做醫(yī)學(xué)影像相關(guān)的可視化。VeloView支持對Velodyne激光雷達(dá)設(shè)備HDL-32E 和HDL-64E實時獲取與可視化分析，其配置通過腳本都自動化了，對于研究來說非常容易。其實不久之前點云庫PCL也發(fā)布了Velodyne激光雷達(dá)設(shè)備HDL-32E 和HDL-64E的兼容grabber接口。在Kitware的支持下，相信VeloView會成為海量點云可視化的解決方案之一，Veloview同時會讓Velodyne激光雷達(dá)的使用者獲得更多的便利和節(jié)省一些前期的開發(fā)時間。

參考文獻：

1. Craig Glennie，Static Calibration and Analysis of theVelodyne HDL-64E S2 for High Accuracy Scanning，Remote Sensing 2010, 2, 1610-1624;doi:10.3390/rs2061610。

2. James Scott Baron，Brain in a cloud - Industry inligenceleans on digital data collection。Director of communications for the American Traffic Safety ServicesAssociation, Fredericksburg, Va.

3. 交出你的方向盤，科技新時代 13年11月號

4. YANG Fei，基于三維激光雷達(dá)的動態(tài)障礙實時檢測與跟蹤，   浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2012, 46(9)。