1、项目背景

激光雷达已经誉为智能化时代必备的传感器，近年来激光雷达公司如雨后春笋，得到了广泛关注和迅速发展。激光雷达按功能应用可以分为六种类型：环境感知激光雷达、大气探测激光雷达、成像跟踪激光雷达、安防激光雷达、测绘激光雷达以及监测激光雷达。

• 导航避障型激光雷达

通过对周围物体快速激光点云成像，获取地物的高度、距离、宽度以及周围车辆行人距离与行进速度方向等信息，为自动驾驶提供周围环境信息。国外主要厂家包括Velodyne和Quanergy等。国内激光雷达公司在近距离、中低精度的导航避障型雷达（如机器人，自动驾驶等）方面已取得了长足的进步。具有代表性的国内的厂家包括镭神、大疆、速腾聚创以及禾赛光电等。

• 激光成像跟踪雷达

激光成像雷达可用于探测和跟踪目标、获得目标方位及速度信息等。它能够完成普通雷达所不能完成的任务，如探测潜艇、水雷、隐藏的军事目标等等。在军事、航空航天、工业和医学领域被广泛应用。对距离与点密度要求较高，需要实现大面阵远距离探测，对研发成本和技术要求较高，目前世界上只有美国在军备上有部分列装，国内尚处于研发阶段，目前我们现有的研发团队在此领域没有技术积累，要想进入该领域目前也比较困难。

• 激光大气探测雷达

大气探测激光雷达主要是用来探测大气中的分子、烟雾的密度、温度、风速、风向及大气中水蒸气的浓度的，以达到对大气环境进行监测及对暴风雨、沙尘暴等灾害性天气进行预报的目的。在大气环境监测中激光雷达技术具体的应用有：气熔胶边界层的探测、温度探测、能见度探测、风的探测、大气成分的检测以及水汽探测。几乎每个省每个市对于大气探测都有钢性需求，国内也有多数厂家从事于此领域相关的设备的研发和销售，其中无锡中科光电技术有限公司为典型代表。目前团队没有相关设计经验。

• 安防激光雷达

通过激光雷达扫描形成光幕，覆盖安防区域，当物体触及激光扫描线时，发出报警信息。在民用安防领域，深圳镭神公司有多线式激光雷达应用于安防领域的整套系统解决方案，在有项目的情况下，可以合作开发。

• 测绘激光雷达

测绘激光雷达根据激光扫描的点云数据，并结合高清相机、POS及GNSS等模块获得数字影像、位置姿态数据，得到被扫描物表面的三维数据，在工程测绘中有着广泛的应用包括：国土普查、景观文物保护、数字高程建模、数字城市建设、工程测量、电力巡线、隧道测量、林业保护等。国内具备自主开发类似产品的能力公司主要是北科天绘，但其产品在精度上仍有差距，且大于1000m测距范围的产品性能并不稳定。其他大部分测绘激光雷达研发公司都是以集成国外厂家为主，具有代表性的公司包括：华测与中海达。在资本的推动下，国内家公司将重心转向了自动驾驶避障激光雷达，仍未有公司真正发力该领域的产品技术创新。国外主要厂家包括徕卡，Riegl，天宝，Optech， Faro等。

       2、项目整体进展汇总

经四川文理学院高性能激光雷达系统研制团队近2年的努力，经过多次改版优化，高性能激光雷达系统性能指标达到预期，且部分关键技术指标超出立项任务要求。参照计划编号为19CYCR0001的《达州市科技计划项目任务合同书》，高性能激光雷达系统主要性能指标预期和完成情况对比如下表所示。

表 1 主要关键技术指标对照表

序号	性能参数	技术指标	项目达到指标	完成情况
1	探测距离	1000m	1500m	超出
2	重复频率	500KHz	700KHz	超出
3	扫描速度	100线/s	100线/s	完成
4	重量	5.5Kg	3Kg	超出
5	系统成本控制	20万	18万	超出

 

       3、项目技术研发汇总

项目研制的面向无人机开发的机载激光三维扫描成像系统（3D laser scanning imaging system，3D-LSIS）可用于快速对地三维扫描成像，广泛应用于测绘、电力、应急、交通、地形侦察等应用，能够快速获取高密度点云数据，快速实现对地三维数字化成像。

• 自主研制激光扫描系统；
• 轻小化设计，可适应多旋翼、复合翼、固定翼等无人飞行平台；

  本系统的功能是通过基于二维激光测距传感器(激光扫描仪)、POS定位系统、数码相机、嵌入式计算机组件集成，实现距离测量、位置获取、影像获取功能，最终获得目标的三维信息。具体的产品功能包括快速、精确地获取地表三维空间点云信息和高分辨率影像。

  激光扫描仪是一种非接触式的高精度高重频光电测量设备，它是激光测距技术在大范围空间上快速测量的应用，通过在激光测距装置前安装扫描器件改变激光光束的发射方向，进而改变激光脚点的位置，形成对目标的扫描测量。从本质上讲，三维激光扫描技术也是点测量方式，只是由于扫描速度快，能快速得到地物地形上大量离散、密集的激光脚点三维坐标信息，得到目标的三维表面模型。激光扫描仪对光学设计、机械设计、电路设计及数据处理能够都提出了较高的要求，是一款跨学科领域的高精尖光电测量设备。激光扫描仪主要由：激光器、光路、模拟电路模块、数字电路模块及结构五部分组成。

  

• 图 1 总体研究思路

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• 图 2 系统原理框图

• 图2中虚线空心箭头表示光通路，实心箭头表示信号流向，空心虚线带传动字样的为机械传动。时间间隔测量的起始信号为激光器脉冲触发信号，停止信号为回波探测信号；数据采集及控制负责收集时间间隔测量数据、GNSS时间数据、扫描角度数据、IMU原始数据、工作状态数据等通过主控板通信模块发送到主控板，同时接收主控通信模块解析后的控制命令及数据，控制激光重频、扫描视场角、扫描速率、相机触发周期等外围设备。

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