現(xiàn)代激光雷達(dá)系統(tǒng)：適用于各行各業(yè)的傳感

最近的技術(shù)進(jìn)步開啟了以數(shù)字形式捕捉物理世界的前所未有的方式。其中一種方式是光探測和測距，或激光雷達(dá)。許多應(yīng)用和行業(yè)都采用了激光雷達(dá)技術(shù);應(yīng)用范圍從地理調(diào)查到3D結(jié)構(gòu)映射和對(duì)象識(shí)別。行業(yè)包括制造自動(dòng)化、安全、農(nóng)業(yè)等。所有這些應(yīng)用和行業(yè)都利用激光雷達(dá)來降低成本，創(chuàng)造更安全的環(huán)境，提高效率，甚至做以前不可能的事情。為了更好地了解激光雷達(dá)的影響，重要的是要了解這項(xiàng)技術(shù)是什么，在它之前使用了什么，以及激光雷達(dá)允許我們實(shí)際測量什么，更重要的是，做什么。

在最基本的層面上，激光雷達(dá)是一個(gè)從物體上反射光線以檢測它們的系統(tǒng)。這歸結(jié)為系統(tǒng)的發(fā)射部分發(fā)出光，以及測量反射光返回時(shí)間的接收部分。這恰好是傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)的工作方式，但有一個(gè)非常重要的區(qū)別——激光雷達(dá)系統(tǒng)的波長比最短的雷達(dá)波長短一萬倍。

激光雷達(dá)有什么不同？

更短的波長使我們能夠做雷達(dá)無法做到的事情嗎？較短的波長使我們能夠看到更高分辨率的圖像，這是由于物理限制，測量不能比用于測量的圖像更精確。即使有軟件和信號(hào)處理方面的技巧，也只有在使用長波長來做到這一點(diǎn)的情況下，您才能很好地表征某些東西。使用激光雷達(dá)較短的波長，我們可以掃描環(huán)境中的物體及其特征，而不僅僅局限于知道位置、粗略尺寸和速度。

想象一下，試圖在一個(gè)陌生的黑暗房間里導(dǎo)航。你通常比它被照亮?xí)r移動(dòng)得更慢，你會(huì)用你的手去摸周圍的物體，以了解什么在哪里。采取同樣的場景，戴上一副乳膠手套、園藝手套或拳擊手套。這些手套中的每一副在各自的應(yīng)用中都有價(jià)值，但在試圖在黑暗中導(dǎo)航時(shí)就沒有那么多了。

激光雷達(dá)不是已經(jīng)存在了幾十年嗎？什么是新的？

雷達(dá)已經(jīng)非常成功地使用了幾十年，并將繼續(xù)是無價(jià)的，但現(xiàn)在我們有一個(gè)額外的工具即將出現(xiàn)，它將使我們能夠進(jìn)一步擴(kuò)展我們感知這個(gè)世界上事物的能力。到目前為止，激光雷達(dá)僅限于大型和昂貴的應(yīng)用（如專門的測量設(shè)備）或更小和更簡單的應(yīng)用（如執(zhí)法部門使用的速度檢測設(shè)備）。

高性能激光雷達(dá)系統(tǒng)必須滿足某些標(biāo)準(zhǔn)。例如，發(fā)射部分需要以3 A至5 A的峰值脈沖激光器40 ns至80 ns，以使其對(duì)汽車具有吸引力 - 激光驅(qū)動(dòng)器終于接近這些感興趣的指標(biāo)，使LIDAR的這一部分成為現(xiàn)實(shí)。其他因素包括小型高效的電源管理、子系統(tǒng)的集成、廉價(jià)的高速數(shù)據(jù)處理以及用于理解所有這些數(shù)據(jù)的復(fù)雜軟件。我們提高激光雷達(dá)系統(tǒng)性能和降低功率預(yù)算的能力已接近在許多應(yīng)用中使用它們的意義，而這些應(yīng)用以前根本無法滿足需求。由于這種接近臨界質(zhì)量，在降低成本、尺寸和功率需求的同時(shí)提高性能的集體努力正在加速對(duì)該解決方案的吸引力。

與 1990 年代的微機(jī)電系統(tǒng) （MEMS） 革命一樣，如今的激光雷達(dá)正變得越來越小、更便宜、更通用。激光雷達(dá)和MEMS都花了很長時(shí)間才充分發(fā)揮其對(duì)其他系統(tǒng)和子系統(tǒng)的潛力。MEMS雖然在1950年代開發(fā)，但由于其成本、尺寸、功率需求和性能，從來都不是集成到許多系統(tǒng)中的實(shí)用選擇。直到1990年代的工藝技術(shù)成熟到足以滿足需求，MEMS才能夠擴(kuò)散到以前從未夢想過的應(yīng)用。同樣，激光雷達(dá)（1960年代初開發(fā)）現(xiàn)在才準(zhǔn)備好滿足類似的需求。

目前正在發(fā)生變化的是設(shè)計(jì)和制造高性能激光雷達(dá)系統(tǒng)的各種因素的匯合。這些額外的因素幫助激光雷達(dá)滿足了其固有的限制，例如降低成本、解決尺寸和功耗問題以及提高整體性能。由于這些因素幫助激光雷達(dá)技術(shù)提高了性能，同時(shí)降低了開發(fā)成本，因此開始探索激光雷達(dá)應(yīng)用的其他領(lǐng)域是有意義的。

激光雷達(dá)允許我們做什么我們以前沒有做過的事情？

想象一下，當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)可以在更容易實(shí)現(xiàn)的價(jià)格點(diǎn)內(nèi)掃描表面時(shí)，可以開發(fā)什么樣的新技術(shù)。以下是激光雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用的一些最新創(chuàng)新：

娛樂

娛樂業(yè)的一個(gè)福音是能夠以數(shù)字方式繪制復(fù)雜的布景或?qū)ο?，從而在我們所知道的現(xiàn)實(shí)與軟件生成的現(xiàn)實(shí)之間進(jìn)行更無縫的交互。例如，在電影或視頻游戲中，這允許人類演員將流暢的3D動(dòng)作捕捉轉(zhuǎn)錄成一個(gè)虛構(gòu)的宇宙，直到現(xiàn)在，這個(gè)宇宙依賴于帶有傳感器的昂貴套裝（傳達(dá)有限的運(yùn)動(dòng)信息）或自制動(dòng)畫（根據(jù)所需的細(xì)節(jié)，可能既慢又昂貴）。

地理調(diào)查

激光雷達(dá)在地理測量中的應(yīng)用已經(jīng)有一段時(shí)間了，但這些系統(tǒng)的范圍和分辨率的增加使研究人員能夠發(fā)現(xiàn)步行調(diào)查不可行的古代遺址。不斷減小的尺寸和成本也使其對(duì)民用土地測量和工程更具吸引力，與傳統(tǒng)的土地測量方法相比，在速度、準(zhǔn)確性、靈活性和安全性方面具有優(yōu)勢。

結(jié)構(gòu)與土木工程

在建造建筑物時(shí)，激光雷達(dá)可用于實(shí)時(shí)監(jiān)控施工進(jìn)度，將這些測量值與當(dāng)前原理圖進(jìn)行比較，并允許更新這些原理圖。還可以掃描現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，以更好地了解完整性隨時(shí)間推移的演變，這將使我們能夠更恰當(dāng)?shù)卦u(píng)估翻新或重建的需求。

運(yùn)輸

自動(dòng)駕駛的靈丹妙藥是增加低成本的激光雷達(dá)系統(tǒng)，以補(bǔ)充目前測量車輛周圍環(huán)境的儀器套件。激光雷達(dá)信號(hào)允許自主系統(tǒng)測量雷達(dá)無法測量的詳細(xì)表面特征（從而識(shí)別物體），并比傳統(tǒng)視覺系統(tǒng)更好地穿透天氣障礙物。

安全

用激光雷達(dá)系統(tǒng)裝備傳統(tǒng)上簡單的“我面前有東西嗎？”傳感器，可以知道在安全情況下如何以及何時(shí)做出響應(yīng)。當(dāng)類似人的物體進(jìn)入其路徑而不是它設(shè)計(jì)用來處理的物體時(shí)，處理重物的機(jī)械臂將能夠更敏銳地做出反應(yīng)。

農(nóng)業(yè)

多年來，人們一直使用簡單的傳感器來檢測筒倉中的谷物水平、作物狀態(tài)、燃料水平等。這些方法通常無法捕捉到更深層次的背景，例如谷物倒入筒倉時(shí)形成的土堆形狀及其測量位置（最高、最低、平均或任意點(diǎn)）如何影響存儲(chǔ)的利用效率。目前，使用傳統(tǒng)方法捕獲此信息的唯一方法是使用多個(gè)傳感器，這本身具有分辨率限制，同時(shí)增加了制造成本。能夠隨著時(shí)間的推移以精細(xì)的細(xì)節(jié)捕獲整個(gè)作物的生長情況，可以提供重要的數(shù)據(jù)，并可以實(shí)時(shí)和為未來的作物提供栽培實(shí)踐信息。激光雷達(dá)還可以幫助優(yōu)化自動(dòng)化機(jī)械在作物收割中的運(yùn)動(dòng)。

Automation

精確了解物理結(jié)構(gòu)為機(jī)器人技術(shù)增加了巨大的價(jià)值，機(jī)器人可以更準(zhǔn)確、更適當(dāng)?shù)靥幚砀鞣N尺寸和幾何形狀的物體。這可以外推到涉及重復(fù)處理或分揀的任何制造或倉庫環(huán)境。擁有這些額外的信息還可以放寬制造中不必要的嚴(yán)格公差，從而節(jié)省生產(chǎn)和質(zhì)量控制成本。

前面討論的應(yīng)用程序是目前正在開發(fā)或已經(jīng)開發(fā)的應(yīng)用程序。與人類努力一樣，不可能知道人們會(huì)想出哪些其他創(chuàng)造性和有用的方法來使用激光雷達(dá)等技術(shù)。如果您的產(chǎn)品或系統(tǒng)可能能夠利用LIDAR的優(yōu)勢，ADI公司擁有專業(yè)知識(shí)，可幫助您完成從概念到創(chuàng)作的整個(gè)過程，以實(shí)現(xiàn)該想法。

審核編輯：郭婷