淺談激光雷達(dá)功能作用與發(fā)展

??激光雷達(dá)是一種先進(jìn)的遙感技術(shù)，通過發(fā)射激光束并測(cè)量其反射光的返回時(shí)間或頻率變化，來精確探測(cè)目標(biāo)物體的距離、速度、角度及其三維形狀等信息?。?

技術(shù)原理?：

激光雷達(dá)的工作原理主要基于光的飛行時(shí)間(ToF, Time of Flight)或多普勒效應(yīng)。

激光雷達(dá)系統(tǒng)主要由激光發(fā)射器、接收器、掃描和定位裝置(如GPS)以及信息處理系統(tǒng)組成。激光發(fā)射器發(fā)射高能窄脈沖的激光束，接收器捕捉目標(biāo)物體反射回來的激光光子，掃描和定位裝置控制激光束的方向和范圍，并結(jié)合定位技術(shù)確定精確位置。

?軍事應(yīng)用?：

激光雷達(dá)在軍事領(lǐng)域可以用于對(duì)飛機(jī)、導(dǎo)彈等目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、跟蹤和識(shí)別。

由于其高精度和快速、高效作業(yè)的特點(diǎn)，激光雷達(dá)在軍事偵察、目標(biāo)定位等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

?汽車應(yīng)用?：

在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，激光雷達(dá)是關(guān)鍵的傳感器之一。

它能夠?qū)崟r(shí)獲取車輛周圍環(huán)境的三維信息，包括道路、障礙物、行人等，為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)提供精確的導(dǎo)航和避障依據(jù)。

車載激光雷達(dá)主要分為機(jī)械式、混合固態(tài)和固態(tài)三種類型，其中量產(chǎn)的車載激光雷達(dá)基本上都是采用飛行時(shí)間(ToF)探測(cè)方式。

綜上所述，激光雷達(dá)作為一種先進(jìn)的遙感技術(shù)，在多個(gè)領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用，特別是在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，其高精度和實(shí)時(shí)性為自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展提供了有力支持。

一、激光雷達(dá)作為地面智能移動(dòng)平臺(tái)核心環(huán)境感知傳感器的作用不可或缺

(一)地面智能移動(dòng)平臺(tái)的環(huán)境感知功能需求

地面智能移動(dòng)平臺(tái)(無人車)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括環(huán)境感知技術(shù)、定位與導(dǎo)航技術(shù)，以及車輛動(dòng)力學(xué)控制技術(shù)等。其中，環(huán)境感知技術(shù)用來獲取車輛周圍環(huán)境信息，以激光雷達(dá)等主動(dòng)型測(cè)距傳感器為主，被動(dòng)型測(cè)距傳感器為輔，采用信息融合的方法實(shí)現(xiàn)無人車進(jìn)行自主決策，相當(dāng)于無人駕駛汽車的眼和耳。

同時(shí)，軍用背景也為無人車提出了新的挑戰(zhàn)：由于車輛行駛在非標(biāo)準(zhǔn)化道路上，幾乎沒有路線標(biāo)識(shí)，經(jīng)驗(yàn)信息相對(duì)較小，因此自主決策尤為重要。其中環(huán)境感知技術(shù)便是自主決策的重要基礎(chǔ)，必須具備實(shí)時(shí)性、魯棒性和實(shí)用性。為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下獲取目標(biāo)距離、目標(biāo)材質(zhì)等感知能力，因此激光雷達(dá)成為優(yōu)選的重要手段。

(二)激光雷達(dá)在環(huán)境感知系統(tǒng)中所起的作用

1.激光雷達(dá)傳感器特點(diǎn)

激光的波長(zhǎng)比微波短好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，且有更窄的線寬，因此激光雷達(dá)特點(diǎn)是：(1)探測(cè)靈敏度和測(cè)量分辨率高，信息量大，可獲得振幅、頻率和相位信息，可測(cè)速及識(shí)別動(dòng)目標(biāo)。具有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的高分辨率清晰圖像成像能力。(2)抗干擾性好，被截獲概率低。(3)在相同的環(huán)境下，比微波雷達(dá)體積小、重量更輕。(4)激光雷達(dá)與激光通信復(fù)合性好，探測(cè)通信一體化、兼?zhèn)湫詮?qiáng)。

2.激光雷達(dá)與其他傳感器的性能對(duì)比分析

無人車環(huán)境感知系統(tǒng)由諸多傳感器組成，主要包括：超聲波雷達(dá)、視覺系統(tǒng)、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等。

相對(duì)于其他傳感器，激光雷達(dá)具有以下優(yōu)勢(shì)：受光照條件影響小，可靠性和精確性高于被動(dòng)傳感器;激光雷達(dá)采用主動(dòng)測(cè)距法，對(duì)環(huán)境光的強(qiáng)弱和物體色彩差異具有很強(qiáng)的魯棒性;激光雷達(dá)直接計(jì)算與被測(cè)物空間距離，算法直接準(zhǔn)確;激光雷達(dá)速度更快，實(shí)時(shí)性更好;視角大、測(cè)距范圍大。因此激光雷達(dá)在無人車環(huán)境感知領(lǐng)域具有重要地位，是不可或缺的傳感器。

(三)智能移動(dòng)平臺(tái)用激光雷達(dá)發(fā)展現(xiàn)狀

1.機(jī)械掃描式激光雷達(dá)技術(shù)

由于激光具有良好的方向性，發(fā)散角較小，遠(yuǎn)距離光斑照射面積也較小，因此為了增加探測(cè)面積，一般需要進(jìn)行掃描。無人車載環(huán)境感知上的激光雷達(dá)以單線、多線作為不同分類。單線激光雷達(dá)的應(yīng)用在國內(nèi)已經(jīng)相對(duì)較廣。單線激光雷達(dá)可以獲取二維數(shù)據(jù)，但無法識(shí)別目標(biāo)的三維信息。而多線激光雷達(dá)則可以識(shí)別2.5維甚至是三維數(shù)據(jù)，在采集信息量上會(huì)比單線雷達(dá)高很多。目前在國際市場(chǎng)上推出的主要有4線、8線、16線、32線和64線。隨著線數(shù)的增加，其識(shí)別的數(shù)據(jù)量也相繼倍增。2017年，掃描激光雷達(dá)高端產(chǎn)品已有128線問世，數(shù)據(jù)量和感知精度有了質(zhì)的飛躍。

世界各國的許多研究機(jī)構(gòu)都正在積極開展以激光雷達(dá)硬件為重點(diǎn)的研究。其中，應(yīng)用最為廣泛、技術(shù)相對(duì)領(lǐng)先并實(shí)現(xiàn)商品化的公司主要有IBEO、VELODYNE、SICK、HOKUYO等。目前這幾家公司也是國外掌握激光雷達(dá)用于無人車/智能輔助駕駛技術(shù)專利的代表性機(jī)構(gòu)。

2.固態(tài)激光雷達(dá)技術(shù)

在結(jié)構(gòu)化道路中，由于采集信息十分豐富，使用者多要求激光雷達(dá)盡可能與整車外形一體化，縮小激光雷達(dá)體積。為滿足這一要求，有機(jī)構(gòu)提出了“固態(tài)激光雷達(dá)”概念，即改機(jī)械掃描為電掃描或無掃描。尤其2017年是固態(tài)激光雷達(dá)爆發(fā)的一年，各類固態(tài)激光雷達(dá)如雨后春筍般涌現(xiàn)。本文將對(duì)國外固態(tài)激光雷達(dá)發(fā)展情況進(jìn)行梳理，主要的固態(tài)激光雷達(dá)方案及研究機(jī)構(gòu)見表1。

掃描方式產(chǎn)品廠商優(yōu)點(diǎn)不足

微振鏡掃描體積小;掃描速度快;無機(jī)械運(yùn)動(dòng)，顯示細(xì)節(jié)能力強(qiáng)。視場(chǎng)角有限;可承受光功率受限;其溫度漂移、非線性等性質(zhì)研究的還不夠透徹。

固態(tài)波束轉(zhuǎn)向不管哪一項(xiàng)固態(tài)波束轉(zhuǎn)向技術(shù)，均需考慮在沒有同軸收發(fā)的情況下接受端與發(fā)射端相匹配的問題，技術(shù)較難。

面陣成像視場(chǎng)角有限;測(cè)距動(dòng)態(tài)范圍有限;大陣列受現(xiàn)有技術(shù)限制。

激光雷達(dá)(Lidar)是一種通過使用激光光束來測(cè)量距離、形狀、方向和速度的遠(yuǎn)程感測(cè)技術(shù)。它在各種領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，包括自動(dòng)駕駛汽車、機(jī)器人技術(shù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、地質(zhì)勘探等。以下是激光雷達(dá)的一些主要特征和應(yīng)用：

特征：

激光發(fā)射： 使用激光器發(fā)射短脈沖的激光束。

激光反射： 激光束與目標(biāo)表面相交后，部分光被反射回激光雷達(dá)。

時(shí)間測(cè)量： 通過測(cè)量激光從發(fā)射到反射返回所花費(fèi)的時(shí)間，計(jì)算目標(biāo)與激光雷達(dá)的距離。

角度測(cè)量： 通過控制激光束的方向或使用多個(gè)激光束，可以測(cè)量目標(biāo)的角度信息。

數(shù)據(jù)處理： 獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，生成目標(biāo)的空間三維坐標(biāo)信息。

應(yīng)用場(chǎng)景：

自動(dòng)駕駛： 在自動(dòng)駕駛汽車中，激光雷達(dá)用于實(shí)時(shí)感知周圍環(huán)境，檢測(cè)障礙物和制定行車路徑。

機(jī)器人技術(shù)： 用于機(jī)器人導(dǎo)航、障礙物避免和環(huán)境建模。

環(huán)境監(jiān)測(cè)： 用于大氣、海洋和地球表面的監(jiān)測(cè)，包括大氣層輪廓分析和海洋表面高度測(cè)量。

地質(zhì)勘探： 用于測(cè)繪地形、檢測(cè)地下油氣資源和進(jìn)行地質(zhì)勘探。

軍事應(yīng)用： 用于目標(biāo)識(shí)別、跟蹤和導(dǎo)航，包括飛行器、車輛和人員。

建筑與城市規(guī)劃： 用于建筑測(cè)繪、城市規(guī)劃和地理信息系統(tǒng)(GIS)。

氣象觀測(cè)： 用于大氣層的觀測(cè)和氣象學(xué)研究。

安全與監(jiān)控： 在安防領(lǐng)域中用于實(shí)時(shí)監(jiān)控和檢測(cè)異常活動(dòng)。

激光雷達(dá)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，其高精度、遠(yuǎn)距離、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)使其成為許多領(lǐng)域中不可或缺的傳感技術(shù)。

激光雷達(dá)具有多種功能，其主要作用是通過激光光束測(cè)量距離、形狀、方向和速度，提供對(duì)目標(biāo)環(huán)境的高精度感測(cè)和建模。以下是激光雷達(dá)的主要功能：

距離測(cè)量： 激光雷達(dá)能夠精確測(cè)量目標(biāo)與激光雷達(dá)之間的距離，利用激光的時(shí)間飛行原理實(shí)現(xiàn)。

形狀和輪廓感測(cè)： 通過掃描激光束，激光雷達(dá)可以獲取目標(biāo)的形狀和輪廓信息，包括高度、寬度和長(zhǎng)度等。

角度測(cè)量： 通過控制激光束的方向或使用多個(gè)激光束，激光雷達(dá)能夠測(cè)量目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的角度信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的方向感測(cè)。

速度測(cè)量： 利用多普勒效應(yīng)，激光雷達(dá)可以測(cè)量目標(biāo)的速度，包括靜止目標(biāo)和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。

實(shí)時(shí)感測(cè)： 激光雷達(dá)能夠在實(shí)時(shí)性要求下進(jìn)行高頻率的數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)更新目標(biāo)位置和狀態(tài)。

環(huán)境建模： 通過獲取目標(biāo)周圍的空間信息，激光雷達(dá)可以創(chuàng)建三維環(huán)境模型，用于導(dǎo)航、路徑規(guī)劃和障礙物避免。

目標(biāo)識(shí)別和分類： 利用獲取的形狀和輪廓信息，激光雷達(dá)可以幫助識(shí)別和分類目標(biāo)，如車輛、行人、建筑等。

地形測(cè)繪： 在地質(zhì)勘探和地形測(cè)繪中，激光雷達(dá)用于生成地表高程模型和地形圖。

自動(dòng)駕駛： 在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中，激光雷達(dá)是關(guān)鍵的感測(cè)器，用于感知周圍環(huán)境，檢測(cè)障礙物和實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。

安防監(jiān)控： 用于監(jiān)測(cè)和識(shí)別安防領(lǐng)域中的異?；顒?dòng)，提高監(jiān)控系統(tǒng)的效能。

氣象觀測(cè)： 用于大氣層輪廓分析、云層測(cè)量和其他氣象學(xué)研究。

城市規(guī)劃和建筑測(cè)繪： 激光雷達(dá)在城市規(guī)劃和建筑測(cè)繪中可以用于獲取建筑物和地形的詳細(xì)信息。

這些功能使得激光雷達(dá)在自動(dòng)化、科學(xué)研究、工業(yè)應(yīng)用等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用，為各種應(yīng)用場(chǎng)景提供高精度的感測(cè)和定位能力。