什么是激光雷達(dá)？

激光雷達(dá)（LiDAR）是光探測(cè)與測(cè)距（Light Detection and Ranging）技術(shù)的縮寫。在工作過程中，激光束從光源發(fā)射并被場(chǎng)景中的物體反射回探測(cè)器，通過測(cè)量光束飛行時(shí)間（Time of Flight，簡稱ToF），可以推算出場(chǎng)景內(nèi)物體的距離，并生成距離地圖。

目前，LiDAR已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。在大氣科學(xué)中，LiDAR被用于空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)和污染物檢測(cè)；在天文學(xué)領(lǐng)域，LiDAR技術(shù)可用于觀察行星表面地貌特征以及太陽系內(nèi)其他天體的形態(tài)結(jié)構(gòu)；在工程建設(shè)方面，利用LiDAR技術(shù)可以快速獲取地形數(shù)據(jù)、制作數(shù)字高程模型（DEM）以及生成精確的三維地圖；而在汽車領(lǐng)域中，人們普遍認(rèn)為LiDAR是一項(xiàng)關(guān)鍵的光學(xué)距離感知技術(shù)，在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。幾乎所有投入自動(dòng)駕駛研發(fā)的廠商都將LiDAR視為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并且已經(jīng)有一些低成本、小體積的LiDAR系統(tǒng)被應(yīng)用于高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driver Assistance Systems, ADAS）。

▲ 應(yīng)用于ADAS中的LiDAR系統(tǒng)概念的鳥瞰圖

▲ 自動(dòng)駕駛汽車中的LiDAR傳感器，位于后視鏡下方，也可以安裝在車頂位置

LiDAR 系統(tǒng)的工作原理及解決方案

本質(zhì)上講，LiDAR 是一個(gè)測(cè)量目標(biāo)物體距離的裝置。通過發(fā)射一個(gè)短的激光脈沖，并記錄發(fā)射光脈沖與探測(cè)到的反射（反向散射）光脈沖的時(shí)間間隔，就可以推算出距離信息。

  ▲ 系統(tǒng)的工作原理及解決方案

LiDAR系統(tǒng)可以使用掃描反射鏡，多束激光或其它的方式“掃描”物體空間。借助其精確的測(cè)距能力，LiDAR 能夠用于解決許多不同的問題。

在遙感應(yīng)用中，LiDAR系統(tǒng)用于測(cè)量散射，吸收，或大氣中的顆?；蛟拥脑侔l(fā)射。在這些應(yīng)用中，對(duì)激光束的波長可能會(huì)有專門的要求。可以用來測(cè)量特定分子種類在大氣中的濃度，例如甲烷和氣溶膠含量。而測(cè)量大氣中的雨滴則可以用來估計(jì)風(fēng)暴距離和降水概率。

LiDAR還能夠用于確定測(cè)量目標(biāo)的速度。這可以通過多普勒方法或快速連續(xù)測(cè)距來實(shí)現(xiàn)。例如，可以使用LiDAR系統(tǒng)測(cè)量風(fēng)速和車速。

另外，LiDAR系統(tǒng)能夠用于建立動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的三維模型，這是自動(dòng)駕駛中會(huì)遇到的情形。這可以通過多種方式來實(shí)現(xiàn)，通常使用的是掃描的方式。

LiDAR 技術(shù)中的挑戰(zhàn)

在可實(shí)現(xiàn)的LiDAR系統(tǒng)中存在一些眾所周知的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)根據(jù)LiDAR系統(tǒng)的類型有所不同。以下是一些示例：

LiDAR 技術(shù)的其它應(yīng)用

LiDAR 的應(yīng)用范圍廣泛而多樣。在大氣科學(xué)中，LiDAR已被用于檢測(cè)多種大氣成分。已經(jīng)應(yīng)用于表征大氣中的氣溶膠，研究高層大氣風(fēng)，剖面云，幫助收集天氣數(shù)據(jù)，以及其它許多應(yīng)用場(chǎng)合。在天文學(xué)中，LiDAR已被用于測(cè)量距離，包括遠(yuǎn)距離物體（例如月球）和近距離物體。實(shí)際上，LiDAR是將地月距離測(cè)量的精度提高到毫米級(jí)的關(guān)鍵設(shè)備。LiDAR還在天文學(xué)應(yīng)用中用于建立導(dǎo)星。

▲ 自動(dòng)駕駛汽車中的傳感器使用攝像頭數(shù)據(jù)，雷達(dá)以及LiDAR探測(cè)周圍的物體。

▲ 大橋的俯視圖（左上）和側(cè)視圖（左下）

LiDAR 數(shù)據(jù)通常在空中收集，如NOAA在加州大蘇爾Bixby大橋上空的調(diào)查飛機(jī)（右圖）。這里的LiDAR數(shù)據(jù)顯示了Bixby大橋的俯視圖（左上）和側(cè)視圖（左下）。NOAA的科學(xué)家使用基于LiDAR的裝置檢查自然和人造環(huán)境。LiDAR數(shù)據(jù)支持洪水和風(fēng)暴潮建模、水動(dòng)力建模、海岸線測(cè)繪、應(yīng)急響應(yīng)、水文測(cè)量以及海岸脆弱性分析等活動(dòng)。

此外，地形LiDAR使用近紅外激光繪制地形和建筑物地圖，而測(cè)深LiDAR使用透水綠光繪制海底和河床地圖。在農(nóng)業(yè)中，LiDAR可用于繪制拓?fù)鋱D和作物生長圖，從而提供有關(guān)肥料需求和灌溉需求的信息。在考古學(xué)中，LiDAR已被用于繪制茂密森林樹冠下的古代交通系統(tǒng)地圖。

如今，LiDAR經(jīng)常用于創(chuàng)建所處空間的三維模型。自主導(dǎo)航是使用LiDAR系統(tǒng)生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的應(yīng)用之一。微型LiDAR系統(tǒng)甚至能夠嵌入在手機(jī)大小的設(shè)備中。

LiDAR 在現(xiàn)實(shí)世界中如何發(fā)揮作用

自主導(dǎo)航中的態(tài)勢(shì)感知是LiDAR的一個(gè)最引人入勝的應(yīng)用。任何移動(dòng)車輛的態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)都需要同樣了解其周圍的靜止和移動(dòng)物體。例如，雷達(dá)技術(shù)長期以來用于探測(cè)飛機(jī)。對(duì)于地面車輛，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)LiDAR非常有用，因?yàn)樗軌虼_定物體的距離并且在方向性上非常精確。探測(cè)光束能夠在角度上精確定向并快速掃描，據(jù)此創(chuàng)建三維模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)。因?yàn)檐囕v周圍的情況是高度動(dòng)態(tài)的，所以快速掃描能力對(duì)這類應(yīng)用至關(guān)重要。

▲ 自動(dòng)駕駛汽車中的汽車傳感器使用攝像頭數(shù)據(jù)、雷達(dá)和LiDAR來檢測(cè)周圍的物體

▲ 自動(dòng)駕駛汽車使用LiDAR傳感器探測(cè)周圍建筑和車輛

開發(fā)LiDAR 系統(tǒng)所需要的軟件工具

軟件在LiDAR系統(tǒng)的創(chuàng)建和運(yùn)行中的各個(gè)環(huán)節(jié)都非常關(guān)鍵。系統(tǒng)工程師需要輻射模型來預(yù)測(cè)回波信號(hào)的信噪比。電子工程師需要電子模型來建立電氣設(shè)計(jì)。機(jī)械工程師需要CAD工具來完成系統(tǒng)布局。還可能會(huì)需要結(jié)構(gòu)和熱建模軟件。LiDAR系統(tǒng)的運(yùn)行需要控制軟件和將點(diǎn)云轉(zhuǎn)換并重建為三維模型的軟件。而LiDAR是利用光作為探測(cè)媒介來感知周圍的系統(tǒng)，因此光學(xué)工程師運(yùn)用光學(xué)軟件設(shè)計(jì)可靠穩(wěn)定的光學(xué)系統(tǒng)是關(guān)鍵。

新思科技提供的多個(gè)光學(xué)和光子學(xué)工具，可用于支持LiDAR的系統(tǒng)級(jí)和元件級(jí)設(shè)計(jì)：

▲ 使用CODE V優(yōu)化LiDAR中的接收光學(xué)系統(tǒng)

 ▲ 使用LightTools模擬LiDAR光學(xué)系統(tǒng)

▲ 在片上LiDAR的設(shè)計(jì)中對(duì)不同元件組合使用RSoft工具

  總結(jié)

總之，隨著科技不斷進(jìn)步與發(fā)展，LiDAR已經(jīng)成為多個(gè)領(lǐng)域不可或缺且無法替代的關(guān)鍵工具之一。其廣泛應(yīng)用將進(jìn)一步推動(dòng)各行各業(yè)向著更加智能化、高效率和精準(zhǔn)度發(fā)展，并為人類社會(huì)帶來更多福祉與便利。

(來源:新思科技)