激光雷达详解
1. 概述¶
激光雷达模型基于光线追踪技术 (Ray Tracing)，模拟激光束的发射、飞行与反射过程，输出高精度的 3D 点云数据。支持机械旋转式扫描模拟，可自定义线束分布。
2. 快速实战：自定义机扫式激光雷达模型¶
输出格式说明：
- 硬件格式：按照原始雷达型号定义数据包格式发送雷达数据到客户算法，每款雷达有自己的协议，一般用于 HIL 仿真测试。
- 仿真格式：SimOne 自定义雷达数据格式，所有雷达统一数据包类型，点格式相同，一般用于 SIL 仿真测试
2.1 前提条件¶
- 水平分辨率相等，均匀分布
- 线数低于 128 线（内部限制）
- 俯仰角分辨率可均匀分布也可指定每一线的俯仰角度值
2.2 步骤¶
（1）进入 SimOne 主车编辑配置激光雷达传感器。
（2）配置水平和垂直 fov。
（3）对于垂直俯仰角非均匀扫描模式可单独配置每一线的角度信息，在列表中填入每一线机械雷达的角度信息。
（4）例如 hs-pandar64 线激光雷达的垂直角度为（由上到下）：
14.882,11.032,8.059,5.057,3.04,2.028,1.86,1.688,1.522,1.351,1.184,1.013,0.846,0.675,0.508,0.337,0.169,0,-0.169,-0.337,-0.508,-0.675,-0.845,-1.013,-1.184,-1.351,-1.522,-1.688,-1.86,-2.028,-2.198,-2.365,-2.536,-2.7,-2.873,-3.04,-3.21,-3.375,-3.548,-3.712,-3.884,-4.05,-4.221,-4.385,-4.558,-4.72,-4.892,-5.057,-5.229,-5.391,-5.565,-5.726,-5.898,-6.061,-7.063,-8.059,-9.06,-9.885,-11.032,-12.006,-12.974,-13.93,-18.889,-24.897
（5）自定义激光雷达扫描模型数据格式需选择仿真格式，通过 SimOne 提供的 api 接口可收到点云数据
2.3 常见问题¶
私有协议适配：
问：如果想自己适配点云协议，接口是哪些，如何通过接口获取到这些信息内容，自己填充封装？
答：
- 通过 SimOne api 接口获取标准 SimOne 点云数据做二次封装。
-
关键 API 接口：
- 主动获取：
GetStreamingPointCloud - 回调接收：
SetStreamingPointCloudUpdateCB
- 主动获取：
3. 附录：仿真参数解释¶
3.1 核心参数配置项¶
| 参数类别 | 核心参数 | 功能描述 | 详细说明索引 |
|---|---|---|---|
| 几何属性 | 安装位置与角度 | 定义传感器在车辆坐标体系下的空间位姿 (X, Y, Z, Roll, Pitch, Yaw)。 | 参见【传感器通用参数说明 - 基础信息】 |
| 工作模式 | 工作频率 | 传感器数据刷新率 (如 10Hz, 20Hz)，决定点云更新速度。 | 参见 2.3.1 基础信息 |
| 性能规格 | 视场角 (FOV) | 包括水平 FOV 和垂直角范围，共同定义雷达的探测范围。 | 参见 2.3.1 基础信息 |
| 线数与分辨率 | 线数决定垂直分辨率；水平分辨率决定水平角度采样间隔。 | 参见 2.3.1 基础信息 | |
| 最大探测距离 | 雷达能够有效探测到目标的最远距离。 | 参见 2.3.1 基础信息 | |
| 仿真保真度 | 感知误差 | 模拟真实雷达的测量噪声，如点云误差、反射强度误差等。 | 参见 2.3.2 感知误差 |
| 环境适配 | 支持模拟雷达在不同光照、天气（雨/雪/雾）下的性能表现。 | 此参数由案例编辑器环境设置 | |
| 数据规范 | 数据格式 | 选择数据输出格式：硬件格式（模拟特定雷达型号协议，用于 HIL 测试）或仿真格式（统一格式，用于 SIL 测试）。 | 参见 2.3.1 基础信息 |
| 数据输出 | 输出目标 | 配置仿真数据的流向，如通过网络发送或记录到 Dump 文件。 | 参见 2.4 输出设置 |
3.2 输入参数¶
3.2.1 基础信息¶
| 序号 | 参数名称 | 定义 |
|---|---|---|
| 1 | 频率 | 激光雷达每秒旋转或扫描的次数，即点云数据的刷新频率。 |
| 2 | 线数 | 激光雷达垂直方向上的发射线数量，决定垂直分辨率。线数越多，点云越密集。 |
| 3 | 水平 FOV 左角/右角 | 水平方向视场范围（Field of View），即雷达扫描的水平角度范围。 |
| 4 | 水平分辨率 | 相邻扫描点在水平方向上的角度间隔，数值越小表示分辨率越高。 • 一致：整个水平视场角（FOV）内采用均匀的角分辨率。这是最常见的模式，适用于模拟标准机械式旋转雷达。 • 列表：可以为水平视场角内的不同区域分别指定自定义的角分辨率。这种非均匀分辨率模式适用于模拟某些固态雷达（如 Flash、MEMS）或实现特定区域的感兴趣区域（ROI）扫描，以优化计算资源。 |
| 5 | 垂直角 | 雷达垂直方向的扫描范围，定义上下角度边界。 • 区间：通过“最小垂直角”和“最大垂直角”两个参数定义一个连续的扫描范围（如 -25° \~ +15°）。 • 列表：通过一个列表直接指定每条扫描线的具体俯仰角，适用于非均匀线束分布的雷达模型。 |
| 6 | 点数 | 每次扫描生成的总点数，由频率、线数和分辨率共同决定。 |
| 7 | 数据格式 | 激光雷达数据来源模式： • 硬件格式：按照原始雷达型号定义数据包格式发送雷达数据到客户算法，每款雷达有自己的协议，一般用于 HIL 仿真测试。 • 仿真格式：SimOne 自定义雷达数据格式，所有雷达统一数据包类型，点格式相同，一般用于 SIL 仿真测试 |
| 8 | 探测范围 | 雷达最大测距能力，超过该距离的目标不返回有效点。 |
3.2.2 感知误差¶
| 序号 | 参数名称 | 定义 |
|---|---|---|
| 1 | 点云误差 | 点云测距误差，模拟测量距离的不确定性。 |
| 2 | 反射强度误差 | 模拟目标反射率测量偏差，用于测试感知稳定性。 |
| 3 | 相位误差 | 激光发射与接收时间差导致的相位误差，影响距离精度。 |
| 4 | 目标位置误差 | 雷达测得的目标位置与真实位置的偏差。 |
| 5 | 目标速度误差 | 雷达估算的目标速度与真实速度的偏差。 |
| 6 | 目标角度误差 | 雷达识别的目标方向与真实方向的差异。 |
3.3 输出设置¶
激光雷达仿真数据支持两种输出流向：网络（通过 UDP/TCP 协议实时发送）与 Dump（记录到本地文件）。
3.3.1 输出到【网络】¶
| 序号 | 参数名称 | 定义 |
|---|---|---|
| 1 | 订阅通道 | 点云数据发布的网络地址及端口，用于算法模块或外部程序订阅接收。 |
| 2 | 设备信息通道 | 发布设备状态信息（如时间戳、帧号、传感器姿态）的通信通道。 |
3.3.2 输出到【Dump】¶
| 序号 | 参数名称 | 含义 |
|---|---|---|
| 1 | 实例分割 | 是否输出实例分割结果（例如不同物体的 mask） |
| 2 | 点云颜色 | 是否保留点云颜色信息 |
| 3 | 真值 | 是否输出地面真值（Ground Truth），如障碍物真实位置、速度等 |
| 4 | 剔除遮挡面积比例 | 对输出数据做过滤，例如遮挡面积超过 10%的对象不输出 |
4. 附录：仿真原理解释¶
4.1 仿真原理与流程概述¶
激光雷达仿真通过模拟真实传感器的物理扫描过程，生成可用于算法测试的虚拟点云数据。
其核心原理是：向场景中发射激光射线，计算其与物体的交点，并基于交点属性（如材质）计算反射强度，最终叠加噪声模型后输出带有时空信息的点云。
仿真流程主要包含以下步骤：
- 发射射线：根据雷达线数、分辨率等参数生成激光射线束。
- 场景求交：计算每条射线与三维场景中物体的交点。
- 计算属性：依据交点距离、入射角、物体材质反射率等信息，计算点的位置和反射强度。
- 添加噪声：引入配置的感知误差模型（如距离噪声、强度噪声），模拟真实传感器的测量不确定性。
- 坐标转换：将点云从雷达坐标系转换至车辆坐标系及世界坐标系。
- 输出数据：通过网络或文件（Dump）输出最终的点云数据。
4.2 仿真细节与输出数据¶
4.2.1 有效点数据计算与效率优化¶
有效点标准：以 64 线、水平分辨率 0.4°、最大探测距 120m 的机械雷达为例，10Hz 频率下每秒发射 57.6 万条射线，仅交点在最大探测距内判定为有效点。
- 数据生成：有效点需返回位置、材质类型，计算点与雷达距离、射线入射角，结合材质强度 / 噪声模型生成带噪声点云及强度值。
- 效率提升：因射线量多（每秒 50w+）、求交算法复杂，采用 CPU/GPU 并行计算保障实时性，点云实时输出至感知系统。
4.2.2 反射强度仿真规则¶
- 影响因素：与材质近红外反射率直接相关，同时受障碍物距离、激光反射角度影响。
- 仿真配置：场景资源（道路、车辆、行人等）需设专属物理材质（反射率不同）；强度模型从真实雷达数据提取，结果归一化至 0～255。
4.2.3 坐标系转换与输出数据¶
- 坐标系转换：仿真点云默认在雷达本地坐标系，先转主车坐标系（依安装位置 / 角度），再结合主车 GPS 转世界坐标系。
- 输出数据：带强度 / 噪声的原始点云、语义分割点云、识别物 3D 包围盒；支持在 SimOne 平台展示（含摄像头仿真数据对比）。
下图为激光雷达在 ROS 系统中的展示，分别为 点云 3D 包围盒 和 语义分割数据。
