激光扫描器或激光雷达（光探测和测距）有广泛的应用。这些应用包括汽车应用的距离测量和环境测绘。激光雷达已被用于自适应巡航控制（ACC）系统和自动驾驶系统中应用。通过测量与传感器周围物体的距离，可以得到传感器环境的深度图。然后将深度图用于车辆的控制系统中。通常情况下，激光雷达使用800纳米到2500纳米范围内的固定波长的近红外光对物体进行成像。激光雷达可用于广泛的目标，包括非金属物体、岩石、雨水等。 33.1 工作原理 基于激光的测距本质上是对从光源到目标的光束进行飞行时间的测量。PreScan模型有两种工作原理，即：脉冲飞行时间测距，光束调制遥测。 在这两个系统中，激光扫描装置包括一个发射器和接收器。发射器发射一束狭窄的光束，如下图中红色圆锥体所示。当光束击中物体时，部分入射光束的能量被反射，红色箭头代表半球形辐射模式。接收器位于激光器附近（图中未显示）；它是一个光学系统，用于捕捉从目标物体辐射回来的能量。
对接收到的信号进行进一步处理，以计算激光雷达到（探测到的物体上的）点的距离。为了使信号处理系统能够计算出距离，测量信号的功率必须足够大。特别是，功率比（SPR）是一个重要的数字，它描述了在接收器处单位面积上接收到的传输功率。SPR是系统工程师确定激光雷达尺寸的有用数字。 在从发射器到目标物体的路径中，光束以很小的角度扩散（图中这个角度比实际的激光束要宽很多）。随着距离的增加，这种传播导致强度下降，被称为几何损耗。光线所经过的介质可能会吸收或散射光线，从而产生路径损耗，随着距离目标的增加而增加。天气设置不会自动影响结果。用户应该通过透射率值来仿真天气的影响。 在物体本身，一部分能量被物体吸收，而另一部分被反射回来。这在图中由目标物体上的小箭头表示。PreScan假设了一个均匀的半球形反射模式。 回到激光雷达侧，经过另一个几何和路径损失后，接收机测量入射光信号，并从中推导出有用的数据。 为了得出正确的结果，用户应遵守一些假设，这些假设在实际情况下是有效的：分散顶点是θ小。功率密度在光束截面上是均匀的。目标物体具有均匀的漫反射半球形。 激光雷达传感器在Simulink中的表现
Lidar 传感器在Simulink中的表示方式和一些用总线选择器选择的信号。 Lidar模块的输出总线包含以下信号。信号名称 描述
ActiveBeamID[-]
当前仿真时间步长的光束的ID。没有检测到时，值为0。
Range[m]
目标物体被检测到的范围。
DopplerVelocity [ms-1]
目标点的速度，相对于传感器，沿着光束。
DopplerVelocityX/Y/Z [ms-1]
目标点相对于传感器沿光束的速度，分解为传感器坐标系的X、Y、Z。
Theta[deg]
在传感器坐标系中，检测到目标点的方位角。
Phi[deg]
检测到目标的传感器坐标系中的仰角。
TargetID[-]
检测到的目标的数值ID。
TargetTypeID[-]
检测到的目标的类型ID。
EnergyLoss[dB]
接收功率/发射功率之比。
Alpha[deg]
激光雷达对目标物的方位角入射角。
Beta[deg]
激光雷达在目标物上的仰角入射角。
角度的方向请参考之前相关的公约。
总线上所有信号的尺寸为：仿真时间步长中的有效光束数×要输出的最大对象数。仿真时间步长中的有效光束数取决于传感器基本选项卡中的配置。要输出的最大对象数量在传感器的系统选项卡中设置。
这个信号是按光束主要排序的。也就是说，对于每个波束，要输出的最大对象数量在信号中以连续的元素出现。
33.2 激光雷达对话框标签页激光雷达传感器通过其对象配置对话框进行配置，其标签如下。
位置选项卡
通过输入位置和方向值，传感器将相对于对象的原点进行移动和旋转。汽车的局部坐标系以蓝色显示，而传感器的局部坐标系以红色显示。有关正定位角的定义，请参考坐标公约。图形表示只有在变化被实现后才会更新。
所描绘的传感器光束表示可能无法反映实际情况，因为光束表示只是二维的。这意味着只有2D平面上的方向变化才会被考虑在内。例如，在顶视图平面上，只有光束的方位角方向是正确的可视化。如果传感器倾斜了90度，其表现与传感器未倾斜时相同。类似的情况也发生在 "构建区域 "中。
基本选项卡
扫描模式 "字段用于定义扫描模式为线扫描、Z扫描或矩阵扫描。
扫描参数字段包括以下信息：
视场(FoV)，方位角和仰角：从最终左光束的外缘到最终右光束的外缘所测量的角度(因此不是从中心线外光束左/上到中心线外光束右/下!)。可输入的值范围为-180至0度或0至180度。
方位角和仰角的光束数：这些都是整数值，用来设置申报的FoV内的光束数。请注意，根据 FoV 和输入的光束数，所有光束的中心线的间距将相等。间距是由PreScan自动计算的，梁在一个平面内的位置可以使用 "高级 "选项卡重写。
水平/垂直扫描：用户可以在这里定义扫描的方向。
捕获频率FoV：表示图案的执行速度。
如果在相对较窄的 FoV 下配置了大量的光束，那么并非所有的光束都会在 2D 查看器中显示。一个经验法则是，如果FoV角度（度数）为光束数量的一半或更大，则配置的光束数量全部可见（因此，如果FoV=13度或更高，则25个光束可见）。
关于每个光束的扫描频率的信息：根据所选择的扫描模式，方位角和仰角的光束数，以及所需的捕获频率，计算出一个结果的扫描频率。
光束具体设置字段包括如下信息。
光束范围：这里设置了基本选项卡下所有光束的有效范围。可以在高级选项卡下指定光束的范围.可以输入的值范围从最小探测范围（默认为0.5米，可在实验->常规设置->传感器中更改）到1000米。这个值也是可以改变的。
系统选项卡
波长参数决定了隐式模式下的大气衰减水平，可以从 "目标与介质 "选项卡中看到。
偏转角参数定义了光束偏转的角度。对于激光应用来说，发散角的范围通常在0.01和0.08度之间。
参数max objects to output设置了激光雷达传感器报告的数据集数量。让n成为该字段中的数据集数量。如果检测到超过n个物体，那么传感器只报告最近的n个物体（不是按距离顺序）。可以输入的最大数值是5。
下图显示了如果将最大输出对象设置为 3，每束检测到哪些行人。检测到的行人被红色椭圆包围。
分辨率参数将空间细分为所谓的分辨率单元。一个分辨率单元是空间中的一个体积，该体积内的所有检测都会产生相同的传感器读数。分辨率单元由水平角、垂直角和距离决定。因此，分辨率参数定义了传感器输出的量化。
目标与介质选项卡标签
当选择显式选项时，可以在相应的字段中指定透射系数。当选择 "隐式 "选项时，衰减由一个函数定义，该函数在图中可见。图中显示的是波长与大气衰减的关系。用于隐式设置的波长在系统选项卡中设置。
所示数据来自于在相对干燥的环境中（美国亚利桑那州）进行的测量。当空气湿度增加时，如在热带地区，传输可能会严重恶化。PreScan不考虑湿度影响。
天气设置不会自动影响结果。用户应通过透射率值来仿真天气的影响。
漂移和噪音选项卡
在漂移选项卡中，可以选择零均值高斯和单向漂移类型。
在 "噪声 "选项卡中，可以输入类似的信息。这个选项卡和漂移选项卡之间的一个明显区别是，你可以定义哪个量的噪声被分配到照明路径的开始（'x%'），哪个部分被分配到反射路径的开始（'100-x%'）。照明路径开始处的噪声是光束上的几何噪声；它影响光束的方向。照明路径末端的噪声是测量噪声；它适用于测量数据。虽然相同的漂移适用于所有光束（相关的），但噪声适用于单个光束，并且是不相关的。
此外，噪声叠加方法可以选择，加法或乘法。
Method Formula
Additive
value = nominal value + n
Multiplicative
value = nominal value × (1 + n)
其中噪声项n是一个标准偏差s的零均值高斯（"正态"）分布值。
33.3 激光雷达方程 范围
在脉冲飞行时间测距中，测量的是短大功率脉冲的传输和目标接收该脉冲之间的时间。让tr为脉冲传输和接收之间的时间延迟，让c为光速(在PreScan中为常数)，那么从源头到目标再到源头的往返距离由以下公式给出。
在光束调制遥测中，激光被一个（相对）低频正弦波调制。飞行时间是通过测量发射和接收信号之间的相移来间接测量的。让fmod为调制频率，让φr为发射波和接收波之间的测量差值，那么往返的飞行时间就是（假设飞行时间小于低频波的周期）。
将(2)代入(1)，则可得到波束调制遥测情况下的测距R。
PreScan从上述方法中抽象出来，直接从场景的几何形状中计算范围。
范围公式
范围公式描述了传输功率和接收功率之间的关系。为了得出这个关系，PreScan采取了一些在实际情况下有效的假设：
分散顶点是θ小。
功率密度在光束截面上是均匀的。
目标物体具有均匀的漫反射半球形。
目标入射功率
光束以一定的孔径dta和发散顶点θ离开发射机，然而，对于探测范围R，假设孔径dta=0是有效的，因此，在PreScan中，激光束被模拟成一个圆锥体。实心角用来表示光束或物体在距离R处的有效面积。
考虑一束激光束以实心角Ω光束均匀辐射，功率Pt。现在我们要计算距离R处的一个目标物体上的入射功率，该物体以实心角Ωtar为子，见下图。
图：激光束入射在目标物体上。入射功率Ptar是传输功率Pt乘以路径损耗的分数Ωtar /Ωbeam。
其中T= T( λ) 是大气透射率(每米透射率)。T( λ)是入射光通过(未被吸收或散射)一米介质(空气)的分数。
比功率比和能量损失
根据目标入射功率Ptar、波长λ处的材料反射率ρ= ρtar( λ)、接收机天线有效面积Ara，我们可以得出入射在接收机上的功率Pr。
其中2π是发生漫反射的半球的实心角。将(4)代入(5)可得
比功率比（SPR）的定义是每平方米的功率比。也就是
将(6)和(7)结合起来的结果是：
能量损失图的定义是以分贝（dB）表示的SPR。它指的是使用单位面积（1米2）接收天线时的相对能量损失。
在PreScan模拟中，R、Ωbeam和Ωtar都是通过数值推导出来的。(在圆锥光束的特殊情况下，Ωbeam是分析已知的。)在PreScan中各种物体的反射率ρ(现在与波长无关)可以在GUI中配置。
PreScan中的各种对象都有一个反射率ρ（目前与波长无关），可以在GUI菜单中进行配置。实验资源... 目标属性激光雷达。默认值如下表所示。
ObjectID Type Reflectivity[%]
1
Car
50
2
Motor
50
3
Trucks / Bus
50
4
Human
30
5
Calibration Element
100
7
Trailer
50
9
Actors Other
100
11
Road Segment
20
12
Building
20
13
Natural Element
40
14
Traffic Sign
80
15
Animated Traffic Sign
80
16
Abstract Object
100
17
Underlay
100
19
Infra Other
100
21
Static Other
100
22
Moving Other
100
23
Auxiliary
100
PreScan中使用的反射率系数
