激光雷達(dá)傳感器技術(shù)簡介

當(dāng)今，隨著科技水平的快速提升，激光雷達(dá)的技術(shù)得到了不斷的發(fā)展和升級。人工智能時代的到來，激光雷達(dá)也已被廣泛應(yīng)用于自動駕駛、機(jī)器人、安防監(jiān)控、無人機(jī)、地圖測繪、物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等高新科技領(lǐng)域。激光雷達(dá)形式多樣，隨著器件水平和加工制造水平的更新，激光雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)方式也在不斷升級。

激光雷達(dá)技術(shù)按不同的載體可分為星載、機(jī)載、車載及固定式激光雷達(dá)系統(tǒng)。其中星載及機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)合衛(wèi)星定位、慣性導(dǎo)航、攝影及遙感技術(shù)，可進(jìn)行大范圍數(shù)字地表模型數(shù)據(jù)的獲?。卉囕d系統(tǒng)可用于道路，橋梁，隧道及大型建筑物表面三維數(shù)據(jù)的獲??；固定式激光雷達(dá)系統(tǒng)常用于小范圍區(qū)域精確掃描測量及三維模型數(shù)據(jù)的獲取。

總之，激光雷達(dá)技術(shù)的出現(xiàn)，為空間信息的獲取提供了全新的技術(shù)手段，使得空間信息獲取的自動化程度更高，效率更明顯。這一技術(shù)的發(fā)展也給傳統(tǒng)測量技術(shù)帶來革命性的挑戰(zhàn)。

激光雷達(dá)傳感技術(shù)的發(fā)展歷程

國外激光雷達(dá)技術(shù)的研發(fā)起步較早，早在20世紀(jì)60年代年代，人們就開始進(jìn)行激光測距試驗；70年代美國的阿波羅登月計劃中就應(yīng)用了激光測高技術(shù)；80年代，激光雷達(dá)技術(shù)得到了迅速發(fā)展，研制出了精度可靠的激光雷達(dá)測量傳感器，利用它可獲取星球表面高分辨率的地理信息。

到了21世紀(jì)，針對激光雷達(dá)技術(shù)的研究及科研成果層出不窮，極大地推動了激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，隨著掃描，攝影、衛(wèi)星定位及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的集成，利用不同的載體及多傳感器的融合，直接獲取星球表面三維點云數(shù)據(jù)，從而獲得數(shù)字表面模型DSM，數(shù)字高程模型DEM，數(shù)字正射影像DOM及數(shù)字線畫圖DLG等，實現(xiàn)了激光雷達(dá)三維影像數(shù)據(jù)獲得技術(shù)的突破。使得雷達(dá)技術(shù)得到了空前發(fā)展。

如今激光雷達(dá)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于社會發(fā)展及科學(xué)研究的各個領(lǐng)域，成為社會發(fā)展服務(wù)中不可或缺的高技術(shù)手段。

激光雷達(dá)傳感技術(shù)的定義與分類

一、激光雷達(dá)的定義

激光雷達(dá)（LiDAR）是一種用于精確獲得三維位置信息的傳感器，好比人類的眼睛，可以確定物體的位置、大小、外部形貌甚至材質(zhì)。它是通過激光測距技術(shù)探測環(huán)境信息的主動傳感器的統(tǒng)稱。它利用激光束探測目標(biāo)，獲得數(shù)據(jù)并生成精確的數(shù)字工程模型。

激光雷達(dá)由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng) 、信息處理三部分組成。激光雷達(dá)的工作原理是利用可見和近紅外光波（多為950nm波段附近的紅外光）發(fā)射、反射和接收來探測物體。

二、激光雷達(dá)的分類

根據(jù)結(jié)構(gòu)，激光雷達(dá)分為機(jī)械式激光雷達(dá)、固態(tài)激光雷達(dá)和混合固態(tài)激光雷達(dá)。

1、機(jī)械式激光雷達(dá)

機(jī)械激光雷達(dá)，是指其發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)存在宏觀意義上的轉(zhuǎn)動，也就是通過不斷旋轉(zhuǎn)發(fā)射頭，將速度更快、發(fā)射更準(zhǔn)的激光從“線”變成“面”，并在豎直方向上排布多束激光，形成多個面，達(dá)到動態(tài)掃描并動態(tài)接收信息的目的。

因為帶有機(jī)械旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，所以機(jī)械激光雷達(dá)外表上最大的特點就是自己會轉(zhuǎn)，個頭較大。

如今機(jī)械激光雷達(dá)技術(shù)相對成熟，但價格昂貴，暫時給主機(jī)廠量產(chǎn)的可能性較低；同時存在光路調(diào)試、裝配復(fù)雜，生產(chǎn)周期漫長，機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件在行車環(huán)境下的可靠性不高，難以符合車規(guī)的嚴(yán)苛要求等不足。

2、混合固態(tài)激光雷達(dá)

機(jī)械式激光雷達(dá)在工作時發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)會一直360度地旋轉(zhuǎn)，而混合固態(tài)激光雷達(dá)工作時，單從外觀上是看不到旋轉(zhuǎn)的，巧妙之處是將機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件做得更加小巧并深深地隱藏在外殼之中。

業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，混合固態(tài)激光雷達(dá)指用半導(dǎo)體“微動”器件（如MEMS掃描鏡）來代替宏觀機(jī)械式掃描器，在微觀尺度上實現(xiàn)雷達(dá)發(fā)射端的激光掃描方式。MEMS掃描鏡是一種硅基半導(dǎo)體元器件，屬于固態(tài)電子元件；但是MEMS掃描鏡并不“安分”，內(nèi)部集成了“可動”的微型鏡面；由此可見MEMS掃描鏡兼具“固態(tài)”和“運動”兩種屬性，故稱為“混合固態(tài)”。

對于激光雷達(dá)來說，MEMS最大的價值在于：原本為了機(jī)械式激光雷達(dá)實現(xiàn)掃描，必須使激光發(fā)射器轉(zhuǎn)動。而MEMS微機(jī)電系統(tǒng)可以直接在硅基芯片上集成體積十分精巧的微振鏡，由可以旋轉(zhuǎn)的微振鏡來反射激光器的光線，從而實現(xiàn)掃描。

這樣一來，激光雷達(dá)本身不用再大幅度地進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，可以有效降低整個系統(tǒng)在行車環(huán)境出現(xiàn)問題的幾率。另外，主要部件運用芯片工藝生產(chǎn)之后，量產(chǎn)能力也得以大幅度提高，有利于降低激光雷達(dá)的成本，可以從上千乃至上萬美元降低到數(shù)百美元。

3、固態(tài)激光雷達(dá)

相比于機(jī)械式激光雷達(dá)，固態(tài)激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)上最大的特點就是沒有了旋轉(zhuǎn)部件，個頭相對較小。

固態(tài)激光雷達(dá)的優(yōu)點包括了：數(shù)據(jù)采集速度快，分辨率高，對于溫度和振動的適應(yīng)性強；通過波束控制，探測點（點云）可以任意分布，例如在高速公路主要掃描前方遠(yuǎn)處，對于側(cè)面稀疏掃描但并不完全忽略，在十字路口加強側(cè)面掃描。而只能勻速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械式激光雷達(dá)是無法執(zhí)行這種精細(xì)操作的。

從使用的技術(shù)上，固態(tài)激光雷達(dá)分為OPA固態(tài)激光雷達(dá)和Flash固態(tài)激光雷達(dá)。

（1）OPA固態(tài)激光雷達(dá)

OPA（optical phased array）光學(xué)相控陣技術(shù)。對軍事有所了解的讀者，應(yīng)該會知道相控陣?yán)走_(dá)，美海軍宙斯盾艦上那一塊蜂窩狀的“板子”就是它。

而光學(xué)相控陣使用的即是原理相同的技術(shù)。OPA運用相干原理（類似的是兩圈水波相互疊加后，有的方向會相互抵消，有的會相互增強），采用多個光源組成陣列，通過控制各光源發(fā)光時間差，合成具有特定方向的主光束。然后再加以控制，主光束便可以實現(xiàn)對不同方向的掃描。

相對于MEMS，這一技術(shù)的電子化更加徹底，它完全取消了機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)發(fā)射陣列中每個發(fā)射單元的相位差來改變激光的出射角度。

因為沒有任何機(jī)械結(jié)構(gòu)，自然也沒有旋轉(zhuǎn)。所以相比傳統(tǒng)機(jī)械式雷達(dá)，OPA固態(tài)激光雷達(dá)有掃描速度快、精度高、可控性好、體積小等優(yōu)點。但也易形成旁瓣，影響光束作用距離和角分辨率，同時生產(chǎn)難度高。

（2）Flash固態(tài)激光雷達(dá)

Flash原本的意思為快閃。而Flash激光雷達(dá)的原理也是快閃，不像MEMS或OPA的方案會去進(jìn)行掃描，而是短時間直接發(fā)射出一大片覆蓋探測區(qū)域的激光，再以高度靈敏的接收器，來完成對環(huán)境周圍圖像的繪制。

因此，F(xiàn)lash固態(tài)激光雷達(dá)屬于非掃描式雷達(dá)，發(fā)射面陣光，是以2維或3維圖像為重點輸出內(nèi)容的激光雷達(dá)。某種意義上，它有些類似于黑夜中的照相機(jī)，光源由自己主動發(fā)出。

Flash固態(tài)雷達(dá)的一大優(yōu)勢是它能快速記錄整個場景，避免了掃描過程中目標(biāo)或激光雷達(dá)移動帶來的各種麻煩。不過，這種方式也有自己的缺陷，比如探測距離較近。

這意味著Flash固態(tài)激光雷達(dá)沒有“遠(yuǎn)視眼”，在實際使用中不適合遠(yuǎn)程探測，而業(yè)內(nèi)專家堅信，全自動駕駛汽車上搭載的激光雷達(dá)至少一眼就得看到200到300米外的物體。

其實Flash固態(tài)激光雷達(dá)的成本還是相對低，但基于3D Flash技術(shù)的固態(tài)激光雷達(dá)，在技術(shù)的可靠性方面還存在問題。

激光雷達(dá)傳感技術(shù)的工作原理

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。

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(jìn)行成像處理后，就可得到精確的三維立體圖像。也可以測量兩個或多個距離，并計算其變化率而求得速度，這是、也是直接探測型雷達(dá)的基本工作原理。

LiDAR系統(tǒng)一般包括；激光源或其它發(fā)射器，靈敏的光電探測器或其它接收器，同步和數(shù)據(jù)處理電子系統(tǒng)，運動控制設(shè)備或微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）掃描鏡（二選一）。均是基于精確的激光掃描組件并可用于創(chuàng)建3D地圖或收集近距離數(shù)據(jù)。

民用和商業(yè)應(yīng)用中，保證用眼安全的激光器在高性能緊湊型LiDAR中越來越受歡迎。在用眼安全的波長范圍內(nèi)，當(dāng)在地形測繪和避障中探測固體時，通常需要約紅外激光器發(fā)射1.5 m的波長。

激光雷達(dá)傳感技術(shù)的特點

傳統(tǒng)的雷達(dá)是以微波和毫米波波段的電磁波為載波的雷達(dá)。激光雷達(dá)則是以激光作為載波，可以用振幅、頻率和相位來搭載信息作為載體。因此，激光雷達(dá)有以下優(yōu)于微波及毫米波的一些特點：

1、極高的分辨率

激光雷達(dá)工作于光學(xué)波段，頻率比微波高2～3個數(shù)量級以上，因此，與微波雷達(dá)相比，激光雷達(dá)具有很高的距離分辨率、角分辨率和速度分辨率；

2、高抗干擾能力

激光波長短，可發(fā)射發(fā)散角非常小的激光束，多路徑效應(yīng)?。ú粫裎⒉ɑ蛘吆撩撞ㄒ粯赢a(chǎn)生多徑效應(yīng)），可探測低空或超低空目標(biāo)；

3、豐富的信息量

可直接獲取目標(biāo)的距離、角度、反射強度、速度等信息，生成目標(biāo)多維度圖像；

4、不受光線影響

不受光線影響，激光掃描儀可全天候進(jìn)行偵測任務(wù)。它只需發(fā)射自己的激光束，通過探測發(fā)射激光束的回波信號來獲取目標(biāo)信息。

激光雷達(dá)傳感技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

據(jù)調(diào)查，目前大部分企業(yè)都以無人車、機(jī)器人及無人車領(lǐng)域激光雷達(dá)為主要研究方向。而傳統(tǒng)機(jī)械式激光雷達(dá)已逐漸向固態(tài)激光雷達(dá)方向轉(zhuǎn)變。在價格方面，無人駕駛領(lǐng)域的激光雷達(dá)少則上萬，多則幾十萬元，普遍要高于機(jī)器人及 AGV 等領(lǐng)域價格。在未來，固態(tài)、小型、低成本激光雷達(dá)將是各企業(yè)的著重發(fā)力點。

隨著國際社會對激光雷達(dá)技術(shù)的深入研究，這一新興技術(shù)的優(yōu)越性越來越明顯，在各個行業(yè)均有其獨特的優(yōu)勢。下面將列舉幾個主要應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)先技術(shù)。

一、自動駕駛領(lǐng)域

由于激光雷達(dá)與攝像頭具有出色的成像能力，一直以來被當(dāng)作自動駕駛的核心傳感器。激光雷達(dá)相較于攝像頭的好處是它能得到準(zhǔn)確的三維信息，而且自身是主動光源，能夠不受光照的影響，白天和晚上都能照常工作。

攝像頭識別的顆粒度比較高，能夠獲得豐富的紋理色彩，所以能夠?qū)崿F(xiàn)精細(xì)化的識別，在這一點上激光雷達(dá)不如攝像頭。

攝像頭最大的缺點是受環(huán)境光的影響大，在強光照射、高亮反白物體、夜晚弱光環(huán)境等情景下，采集到的數(shù)據(jù)都難以通過算法進(jìn)行有效可靠的環(huán)境感知。

激光雷達(dá)是通過激光主動探測成像的，不受環(huán)境光影響，直接測量物體的距離方位、深度信息、反射率等。算法首先對障礙物進(jìn)行識別，然后再分類，識別準(zhǔn)確度和可靠性遠(yuǎn)超攝像頭，而消耗的計算資源低于攝像頭。

可以說，激光雷達(dá)在自動駕駛中的應(yīng)用，最重要的部分就是高精度定位，先確定自身所在的位置，自動駕駛車輛才會面臨“要往哪里去”的問題。所以，確定“我在哪里”是第一步，也是非常關(guān)鍵的一步。按常規(guī)理解，定位應(yīng)該只是GPS的任務(wù)，的確，自動駕駛的定位會用到GPS，但是GPS定位的精度不足，而且在遇到高樓林立或者進(jìn)出隧道等情況下信號穩(wěn)定性差，因此難以保證自動駕駛車輛的安全。所以自動駕駛定位需要結(jié)合激光雷達(dá)、GPS、IMU等，以完成穩(wěn)定可靠的高精度定位。

激光雷達(dá)硬件配合針對自動駕駛研發(fā)的AI感知算法，可以完成對周圍障礙物進(jìn)行識別，對路邊沿進(jìn)行檢測，進(jìn)行高精度定位等任務(wù)，還能夠?qū)崿F(xiàn)分類標(biāo)注，把障礙物分為卡車、小汽車、行人、自行車等。

二、安防領(lǐng)域

隨著國內(nèi)安防領(lǐng)域的快速發(fā)展，安防系統(tǒng)越來越向集成化、多功能化、智能化方向發(fā)展，傳統(tǒng)的單一攝像頭模式已經(jīng)無法完全滿足安防環(huán)境越來越復(fù)雜化、多樣化、多功能化的要求。激光雷達(dá)的加入，為安防集成商和客戶提供了新的解決思路和新的功能補充。相比于傳統(tǒng)的安防監(jiān)控系統(tǒng)，基于激光雷達(dá)的安防方案在滿足客戶基礎(chǔ)的防護(hù)報警功能的同時，更能夠提升客戶的深層次需求，具有更大的優(yōu)勢。

近年來，激光雷達(dá)技術(shù)飛速發(fā)展，技術(shù)從簡單的激光測距技術(shù)，逐步發(fā)展出激光跟蹤、激光測速、激光掃描成像、激光多普勒成像等技術(shù)。其工作環(huán)境也從最開始的可見光區(qū)域（紅寶石激光器），發(fā)展到近紅外區(qū)（Nd：YAG激光器），再之后是紅外區(qū)域（CO2激光器），而現(xiàn)在很多激光雷達(dá)工作是在對人眼無害的近紅外區(qū)域（0．76～1．5μm）。由此涌現(xiàn)了許多不同用途的激光雷達(dá)，如精密跟蹤激光雷達(dá)、偵測激光雷達(dá)、水下激光雷達(dá)等，從而使激光雷達(dá)成為一類具有多種功能的系統(tǒng)。

三、智慧交通

隨著大城市人口的不斷增長，城市的交通也變得更加擁擠，這要求未來的交通更“智慧”。物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、人工智能的快速發(fā)展讓這些變成現(xiàn)實。信息技術(shù)、傳感技術(shù)、通信技術(shù)等多種技術(shù)在交通領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用。

激光雷達(dá)在很多地方都有用武之地，例如在毫米波雷達(dá)能精確地檢測車道級和毫秒級的數(shù)據(jù)，這種檢測是微觀的，同時也是實時和準(zhǔn)確的，可以用于信號燈控制機(jī)即時感應(yīng)控制、自適應(yīng)控制和綠波帶控制，也是未來實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)車路協(xié)同的基礎(chǔ)。

四、機(jī)器人領(lǐng)域

隨著機(jī)器人深入人們的生活，例如工廠、倉庫、酒店、商場、餐廳等環(huán)境中的使用，人們對機(jī)器人的移動能力越為重視，市場對智能化設(shè)備的需求日益高漲。以至于避障成為一個極為關(guān)鍵且必要的功能。

避障是指移動機(jī)器人根據(jù)采集的障礙物的狀態(tài)信息，在行走過程中通過激光雷達(dá)傳感器感知到妨礙其通行的靜態(tài)和動態(tài)物體時，按照一定的方法進(jìn)行有效地避障，最后達(dá)到目標(biāo)點。

實現(xiàn)避障與導(dǎo)航的必要條件是環(huán)境感知，在未知或者是部分未知的環(huán)境下避障需要通過激光雷達(dá)傳感器獲取周圍環(huán)境信息，包括障礙物的尺寸、形狀和位置等信息，因此傳感器技術(shù)在移動機(jī)器人避障中起著十分重要的作用。

五、VR/AR領(lǐng)域

VR/AR也是最近幾年火起來的，市場前景可觀。VR一體機(jī)、智能眼鏡等產(chǎn)品已經(jīng)面市，AR眼鏡、AR頭顯的應(yīng)用也是非常之廣。

在用到AR頭顯進(jìn)行的游戲中，運用的空間感知定位技術(shù)里面會用到激光雷達(dá)和許多配套的光學(xué)傳感器，通過SLAM技術(shù)（即時定位與地圖構(gòu)建），精準(zhǔn)定位自己在三維空間中的位置，增強在游戲中的真實體驗感。

六、3D打印領(lǐng)域

近年來，3D打印備受關(guān)注，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印作為前沿性、先導(dǎo)性的智能制造技術(shù)，將引領(lǐng)傳統(tǒng)生產(chǎn)方式和生產(chǎn)工藝的變革，有望成為推動新一輪工業(yè)革命的源動力。

在3D打印里面，也有用到激光雷達(dá)的地方，如最近很火的Printoptical3D打印技術(shù)本質(zhì)上是一種“從CAD設(shè)計到光學(xué)部件”的一站式技術(shù)，其打印出來的光學(xué)部件不需要進(jìn)行像拋光、研磨和著色這樣的后處理。這種技術(shù)主要基于成熟的寬幅工業(yè)噴墨打印設(shè)備，通過紫外線固化的透明聚合物液滴噴射出來，然后被集成在打印頭上的強紫外線燈固化，最終可以形成各種各樣的幾何形狀，激光雷達(dá)在這里面扮演者測量、監(jiān)控等角色。

激光雷達(dá)傳感技術(shù)的前景展望

激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展為獲取高時空分辨率的地球空間信息提供了全新的技術(shù)手段，使人們從傳統(tǒng)的單點數(shù)據(jù)獲取變?yōu)檫B續(xù)自動數(shù)據(jù)獲取，并能夠快速地獲取精確的高分辨率的數(shù)字地面模型以及地面物體的三維坐標(biāo)，同時配合地物的影像，增強人們對地物的認(rèn)識和識別能力，在社會建設(shè)的各個領(lǐng)域均具有廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用需求。目前，越來越多的用戶對使用激光雷達(dá)技術(shù)產(chǎn)生了濃厚的興趣，顯示了這項技術(shù)的強大市場需求。

激光雷達(dá)技術(shù)，能夠在一定程度上解決城市建設(shè)、規(guī)劃、環(huán)保、虛擬顯示，軍事國防，電子娛樂、災(zāi)害預(yù)防與控制等方面的數(shù)據(jù)需求。涉及測繪、國土、規(guī)劃、電力、交通等多個領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)部門的用戶。隨著激光雷達(dá)技術(shù)在我國的全面推廣以及相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，激光雷達(dá)技術(shù)難度將大大降低，會使越來越多的用戶在使用激光雷達(dá)技術(shù)中獲得所需的空間信息，從而創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)利益和社會效益。