什么是數(shù)字激光雷達(dá)

激光雷達(dá)(英文：Laser Radar [1])，是以發(fā)射激光束探測(cè)目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)。其工作原理是向目標(biāo)發(fā)射探測(cè)信號(hào)(激光束)，然后將接收到的從目標(biāo)反射回來(lái)的信號(hào)(目標(biāo)回波)與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比較，作適當(dāng)處理后，就可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息，如目標(biāo)距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù)，從而對(duì)飛機(jī)、導(dǎo)彈等目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、跟蹤和識(shí)別。它由激光發(fā)射機(jī)、光學(xué)接收機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)和信息處理系統(tǒng)等組成，激光器將電脈沖變成光脈沖發(fā)射出去，光接收機(jī)再把從目標(biāo)反射回來(lái)的光脈沖還原成電脈沖，送到顯示器。LiDAR(Light Detection and Ranging)，是激光探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，另外也稱Laser Radar [1]或LADAR(Laser Detection and Ranging) [2]。

用激光器作為發(fā)射光源，采用光電探測(cè)技術(shù)手段的主動(dòng)遙感設(shè)備。激光雷達(dá)是激光技術(shù)與現(xiàn)代光電探測(cè)技術(shù)結(jié)合的先進(jìn)探測(cè)方式。由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng) 、信息處理等部分組成。發(fā)射系統(tǒng)是各種形式的激光器，如二氧化碳激光器、摻釹釔鋁石榴石激光器、半導(dǎo)體激光器及波長(zhǎng)可調(diào)諧的固體激光器以及光學(xué)擴(kuò)束單元等組成;接收系統(tǒng)采用望遠(yuǎn)鏡和各種形式的光電探測(cè)器，如光電倍增管、半導(dǎo)體光電二極管、雪崩光電二極管、紅外和可見(jiàn)光多元探測(cè)器件等組合。激光雷達(dá)采用脈沖或連續(xù)波2種工作方式，探測(cè)方法按照探測(cè)的原理不同可以分為米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射、熒光、多普勒等激光雷達(dá)。

今年 CES，來(lái)自全球超過(guò) 40 家激光雷達(dá)公司齊聚拉斯維加斯，各種形態(tài)的產(chǎn)品、不同的技術(shù)路線同臺(tái)爭(zhēng)艷。

很多公司在激光雷達(dá)產(chǎn)品的價(jià)格層面拼起了刺刀，也有的公司在產(chǎn)品的體積、形態(tài)、性能方面精益求精。

當(dāng)前主流的激光雷達(dá)形態(tài)有「機(jī)械旋轉(zhuǎn)式」和「固態(tài)」兩種。

前些年因?yàn)椤腹虘B(tài)激光雷達(dá)」技術(shù)的成熟度不夠高，「機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)」一直是業(yè)內(nèi)的主要選擇。

如今，為了更適應(yīng)汽車行業(yè)的要求，也為了降本增效，「固態(tài)激光雷達(dá)」成為行業(yè)新寵。

但是，現(xiàn)在自動(dòng)駕駛行業(yè)有一個(gè)比較尷尬的境況是：以往采用「機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)」的自動(dòng)駕駛公司的感知算法是專門針對(duì)該類雷達(dá)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，當(dāng)替換成「固態(tài)激光雷達(dá)」后，其相應(yīng)的感知算法需要推倒重來(lái)，傳感器方案也要重新考慮，這在某種程度上帶來(lái)了很大的技術(shù)遷移難度。

為了更好地解決這一問(wèn)題，業(yè)內(nèi)需要一種能夠「旋轉(zhuǎn)」起來(lái)的「固態(tài)激光雷達(dá)」，結(jié)合兩種技術(shù)路線的優(yōu)勢(shì)，在不進(jìn)行大規(guī)模技術(shù)遷移的同時(shí)實(shí)現(xiàn)降本增效。

什么是「數(shù)字激光雷達(dá)」?

舊金山激光雷達(dá)創(chuàng)業(yè)公司 Ouster 將這種形態(tài)的產(chǎn)品稱為「數(shù)字激光雷達(dá)」(Digital LiDAR)，這家公司已經(jīng)將這一概念轉(zhuǎn)化成了實(shí)際的產(chǎn)品。

所謂「數(shù)字激光雷達(dá)」，就是對(duì)激光雷達(dá)進(jìn)行全半導(dǎo)體化的設(shè)計(jì)，將原來(lái)激光雷達(dá)產(chǎn)品內(nèi)部的發(fā)射器、接收器等上千種光電器件固化到芯片之中，實(shí)現(xiàn)了「固態(tài)」的形式。

在此基礎(chǔ)上，Ouster 再在激光雷達(dá)內(nèi)部加入旋轉(zhuǎn)裝置，讓其能夠在 360 度方向上實(shí)現(xiàn)掃描。這就是所謂的「旋轉(zhuǎn)起來(lái)的固態(tài)激光雷達(dá)」。

「數(shù)字激光雷達(dá)」體積小、重量輕。比如 Ouster 中距離產(chǎn)品 OS1 系列在不到 400 克的重量?jī)?nèi)，可實(shí)現(xiàn)從 16 線到 128 線的分辨率。

本次 CES，我們也發(fā)現(xiàn)了一個(gè)很有意思的應(yīng)用：Flex G gate 公司將 Ouster 的激光雷達(dá)安裝到了汽車大燈里。這一應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)就是利用了 Ouster 激光雷達(dá)小巧的特點(diǎn)。

什么是激光雷達(dá)?

光探測(cè)和測(cè)距(LiDAR)是一種主動(dòng)遙感系統(tǒng)。

讓我們進(jìn)一步分解：

主動(dòng)意味著系統(tǒng)本身產(chǎn)生能量(在本例中為光)來(lái)測(cè)量地面上的物體。

遙感是指在不實(shí)際與該物體進(jìn)行任何物理接觸的情況下連續(xù)收集物體或現(xiàn)象的數(shù)據(jù)和信息。

在激光雷達(dá)系統(tǒng)中，光線快速發(fā)射到地面并從建筑物和樹(shù)枝等物體上反射。然后反射光返回到激光雷達(dá)傳感器并進(jìn)行記錄。需要注意的是，LiDAR 傳感器發(fā)出的每條光可能會(huì)有多次反射，因?yàn)檫@取決于光反射的物體，稍后我們將詳細(xì)說(shuō)明如何使用 LiDAR 數(shù)據(jù)來(lái)準(zhǔn)確繪制和感測(cè)環(huán)境。

如果您還記得中學(xué)物理中的任何內(nèi)容，您就會(huì)記得速度與距離有直接關(guān)系，與時(shí)間有反比關(guān)系。因此，通過(guò)測(cè)量的時(shí)間，激光雷達(dá)系統(tǒng)可以計(jì)算出行駛的距離，然后將其轉(zhuǎn)換為海拔高度。

LiDAR 傳感器通常由以下關(guān)鍵組件組成：

慣性測(cè)量單元 (IMU)，用于測(cè)量無(wú)人機(jī)在天空中的方向

GPS 可識(shí)別車輛的 X、Y、Z 坐標(biāo)。

激光雷達(dá)用在哪里?

LiDAR 技術(shù)已經(jīng)存在 60 多年，第一臺(tái) LiDAR 原型機(jī)于 1961 年由休斯飛機(jī)公司制造。

如今，激光雷達(dá)在自動(dòng)駕駛汽車的計(jì)算機(jī)視覺(jué)任務(wù)中變得越來(lái)越流行，并被認(rèn)為是為許多應(yīng)用提供關(guān)鍵信息的強(qiáng)大工具：

自動(dòng)駕駛車輛和機(jī)器人

空中檢查

林業(yè)和土地管理

測(cè)繪

離散和全波形激光雷達(dá)：

LiDAR 接收光能的波形或分布，LiDAR 傳感器以兩種不同的方式處理它：

離散返回激光雷達(dá)系統(tǒng)

全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)

離散系統(tǒng)記錄傳感器發(fā)射的每個(gè)激光脈沖的 1-4 個(gè)(有時(shí)甚至更多)返回，而全波形 LiDAR 系統(tǒng)記錄返回光能量的分布。這使得全波形激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理變得復(fù)雜，因?yàn)榕c離散返回激光雷達(dá)系統(tǒng)相比，它們通常可以捕獲更多信息。

然而，無(wú)論是作為離散點(diǎn)還是全波形收集，LiDAR 數(shù)據(jù)通常都是作為離散點(diǎn)收集的，稱為 LiDAR 點(diǎn)云。存儲(chǔ)該點(diǎn)云的文件格式稱為“.las”。該文件的壓縮版本稱為“.laz”，它只是“.las”的壓縮版本。有時(shí)，LiDAR 點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以采用 GeoTIFF (.tif) 格式。

LiDAR 數(shù)據(jù)到底是什么?

激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)屬性因數(shù)據(jù)的收集和處理方式而異。但是，通過(guò)查看元數(shù)據(jù)，您可以了解哪些屬性構(gòu)成數(shù)據(jù)點(diǎn)

通常，所有激光雷達(dá)數(shù)據(jù)點(diǎn)都會(huì)具有與位置 (x, y) 和高程 (z) 相對(duì)應(yīng)的相關(guān) X,YZ 值。另外一個(gè)常見(jiàn)的屬性是強(qiáng)度值，它表示發(fā)射后返回到傳感器的光能的量。

作為處理過(guò)程的一部分，附加步驟可能是將激光雷達(dá)數(shù)據(jù)點(diǎn)云分類為激光反射的不同類型的物體，例如“地面”、“建筑物”和“植被”。然后，您將使用分類為“地面”的點(diǎn)生成數(shù)字高程模型 (DEM)，該模型將地表高程表示為連續(xù)柵格。接下來(lái)，您將使用分類為“建筑物”的點(diǎn)來(lái)提取 2D 建筑物覆蓋區(qū)。最后，您將把這些元素組合在一起生成 3D 建筑特征。

從 LiDAR 數(shù)據(jù)構(gòu)建地圖的一般工作流程：

以下是使用 LiDAR 數(shù)據(jù)生成地圖的一般工作流程，用于地面用例，例如自主清潔機(jī)器人或基于家用電器的機(jī)器人。