激光雷达是以激光作为信号源，由激光器发射脉冲信号，击中物体后引起散射，其中一部分光波反射回激光雷达接收器的环境感知类传感器。其中，3D激光雷达在最近几年的诸多行业应用中出现，本文将介绍3D激光雷达的测距原理、扫描系统和用途。

1.      测距原理

1.1       飞行时间法

飞行时间法又称为ToF（Time of Flight），是通过激光器发射激光脉冲，探测到物体后被反射回并被接收这一过程中，记录发射信号与接收信号间的时间差值，进而计算物体到激光雷达间距离的探测方法。

1.2       调频连续波法

调频连续波法又称为FMCW（Frequency Modulated Continuous Wave），激光器发射调频连续激光，在激光束击中物体后光束反射并被接收，对比反射光返回到检测器与发射时的两种频率的差值，进而计算物体的距离信息。

2.      扫描系统

2.1       机械旋转式

机械旋转式的激光雷达在扫描时，内部不间断地旋转发射器，将激光点变成线，并在竖直方向上排布多数激光发射器形成面，实现对空间水平360°视场范围内的扫描。

2.2       混合固态式

混合固态式激光可细分为微机电系统（MEMS）式、转镜式和棱镜式。

2.2.1     微机电系统（MEMS）式

微机电系统（MEMS）式激光雷达的扫描原理是通过控制微小的镜面平动和扭转往复运动，将激光管反射到不同的角度完成扫描，激光器本身固定不动。

2.2.2     转镜式

转镜式激光雷达的扫描原理是反射镜面围绕圆心不断旋转，从而实现激光的扫描。

2.2.3     棱镜式

棱镜式激光雷达的内部包含两个楔形棱镜，激光在通过两个楔形棱镜后分别发生一次偏转，控制两面棱镜的相对转速即可控制激光束的扫描形态，当速度控制得当在同一位置长时间扫描可以覆盖整个区域。

2.3       纯固态式

纯固态式激光雷达可细分为光学相控阵（OPA）式和闪光（FLASH）式。

2.3.1     光学相控阵式

通过控制相控阵雷达平面各个阵元的电流相位，利用相位差可以让不同的位置的波源产生干涉，指向特定方向往复控制，实现扫描效果。

2.3.2     闪光式

在短时间内，激光雷达向前方区域内直接发射出一大片覆盖探测区域的激光，随后由高灵敏度的接收器阵列计算每像素对应的距离信息。

3.      用途

3.1       定位

3D激光雷达是以一定频率工作的，当有了相邻两帧数据，根据配准可以得到激光雷达坐标系的前后两帧间的相对位姿变换关系完成里程计作用。使用当前帧点云和整个地图匹配可以得到激光雷达在整个地图中位姿，即全局定位。

3.2       建图

3D激光雷达在某区域内连续扫描，通过帧与帧的匹配得到一段连续的激光位姿。当回到曾经途径过的某区域后，回环检测得到闭环约束，通过优化等方式消除误差，最终得到一段优化后的激光位姿。每帧点云叠加激光位姿得到一幅完整的点云地图。