激光雷達(dá)綜述

激光雷達(dá)技術(shù)及其應(yīng)用綜述一、激光雷達(dá)的概念激光雷達(dá)(LIDAR-LightDetectedAndRanging)是一套復(fù)雜的光機(jī)系統(tǒng)，它結(jié)合了光源、光電探測等技術(shù)，有時還包括計算機(jī)圖象處理技術(shù)，能夠同時獲得方位、俯仰角度、距離、強(qiáng)度等信息，特別適合用于森林結(jié)構(gòu)的估計、城市建設(shè)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航空航天等領(lǐng)域［1］。一個典型的激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。激光雷達(dá)是一種主動式遙感探測設(shè)備，從工作原理來說，它只是把傳統(tǒng)微波雷達(dá)的光源變成了激光：向被測目標(biāo)發(fā)射激光信號然后接收反射回來的信號、并與發(fā)射信號進(jìn)行比較,作適當(dāng)處理后，就可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息。激光雷達(dá)不同于機(jī)器視覺技術(shù)，使用的是更為精確的激光光源和光電傳感器，而機(jī)器視覺多是使用普通相機(jī)攝像頭探測和CCD或CMOS作為圖像傳感器。激光雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)較大測量范圍內(nèi)的3D立體探測，但易受環(huán)境天氣因素影響；使用微波(毫米波)雷達(dá)的機(jī)器視覺探測技術(shù)，立體測量范圍有限、精度不高，但抗干擾性強(qiáng)、測量距離遠(yuǎn)。圖1 典型激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)二、激光雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)1光源技術(shù)激光雷達(dá)系統(tǒng)中使用的光源，目前主要是CO2激光器，半導(dǎo)體激光器(LD)和以Nd：YAG為主的固體激光器。 2較遠(yuǎn)測程(數(shù)百米以上)的二極管激光成像雷達(dá)對其輻射源的要求，一是具有足夠高的輸出功率，二是具有足夠窄的發(fā)射波束。目前商品化的二極管激光器雖可分別達(dá)到10W的平均功率和衍射極限的波束質(zhì)量，但同一器件卻難以同時滿足這兩項(xiàng)要求。一種可能的途徑是采用面發(fā)射分布反饋(SEDFB)的二極管激光器陣列和微光學(xué)(MOC)準(zhǔn)直技術(shù)。一個40陣列，采用微透鏡組1.3cmX10cm孔徑，得到0.5?0.75mrad發(fā)散度的10W連續(xù)輸出功率。當(dāng)然，為了實(shí)現(xiàn)這樣的準(zhǔn)直效果，必須對微光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行精心設(shè)計加工，使其達(dá)到1um的絕對準(zhǔn)直精度，采用激光輔助化學(xué)腐蝕工藝制造微光學(xué)系統(tǒng)，可以滿足這一要求。在具體設(shè)計時，必須對孔徑尺寸，波束發(fā)散度和輸出功率進(jìn)行合理的折衷⑵。2傳感器的選擇如果說激光源是激光雷達(dá)的“發(fā)射機(jī)”，那么光電探測器就是“接收機(jī)”。類似雷達(dá)系統(tǒng)的接收機(jī)，光電探測器可選擇如光電倍增管、半導(dǎo)體光電二極管、雪崩光電二極管(APD)、紅外和可見光多元探測器件等⑶。從激光源發(fā)射的脈沖只有小部分光子到達(dá)了光電探測器的有源探測區(qū)域［4］。若大氣衰減不會隨著脈沖路徑發(fā)生變化，則激光的光束發(fā)散角可忽略不計，照明點(diǎn)小于目標(biāo)，入射角度為零，反射為完全漫反射，那么脈沖光接收的峰值功率P(R)為：A

P(R)吼P泰msQyR)其中，P0為發(fā)射激光脈沖的光峰值功率，P為目標(biāo)反射率，A0為接收器的孔徑面積，n0為探測光的光譜透射，丫為大氣衰減系數(shù)。上述方程表明，隨著距離R的增加，接收功率迅速降低，當(dāng)然這是顯而易見的。而大氣衰減主要是由于空氣中的“瑞利散射”，由于它與波長的4次方成反比，所以大多數(shù)激光雷達(dá)傳感器的接受光譜范圍都處在近紅外區(qū)。目前主流激光雷達(dá)供應(yīng)商采用的也是1550nm波段的激光源。三、激光雷達(dá)的主要實(shí)現(xiàn)方法激光雷達(dá)目前尤以在汽車無人駕駛領(lǐng)域的應(yīng)用最為引人關(guān)注。智能汽車的激光雷達(dá)測距壁障系統(tǒng)，是精確還原汽車周圍的360°x20°的3D地圖，需用光柵掃描單個或多個激光光束，或?qū)鼍斑M(jìn)行光覆蓋并收集點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。前一種方法被稱為掃描式LiDAR，而后者是Flash面陣式LiDAR。1掃描式切皿以Velodyne公司為例，安裝在車頂?shù)募す饫走_(dá)平臺以每分鐘300~900轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，同時從64顆905nm激光二極管發(fā)出脈沖。每個光束都有一顆專用雪崩光電二極管(APD)檢測器。類似的方法是使用旋轉(zhuǎn)多面鏡，在不同方位和下傾角度，以略微不同的傾斜角度來控制單束脈沖。在惡劣且復(fù)雜的駕駛環(huán)境中，這兩個設(shè)計中的運(yùn)動部件都暗藏著失敗的風(fēng)險?；谖C(jī)電系統(tǒng)(MEMS)，整套系統(tǒng)只需一個很小的反射鏡就能引導(dǎo)固定的激光束射向不同方向。由于反射鏡很小，因此其慣性力矩并不大，可以快速移動，速度快到可以在不到一秒時間里跟蹤到2D掃描模式°MEMS激光雷達(dá)的一大優(yōu)勢是傳感器可以動態(tài)調(diào)整自己的掃描模式，以此來聚焦特殊物體，采集更遠(yuǎn)更小物體的細(xì)節(jié)信息并對其進(jìn)行識別，這是傳統(tǒng)機(jī)械激光雷達(dá)無法實(shí)現(xiàn)的。激光雷達(dá)采用相控陣(OPA)設(shè)計，它搭載的一排發(fā)射器可以通過調(diào)整信號的相對相位來改變激光束的發(fā)射方向。如果發(fā)射器同步發(fā)射激光，激光則會射向同一個方向。不過，如果左側(cè)發(fā)射器相位處在右側(cè)之后，激光則會發(fā)射向左邊，向右發(fā)射同理&相控陣LiDAR工作原理雖然OPA原理簡單易懂，但相控陣激光雷達(dá)目前應(yīng)用仍然沒有機(jī)械式和MEMS激光雷達(dá)廣泛，還有很大的上升和改進(jìn)空間。2面陣式LiDAR多束密集的激光束直接向各個方向漫射，因此只要一次快閃就能照亮整個場景。它運(yùn)行起來更像攝像頭⑹。隨后，系統(tǒng)會利用微型傳感器陣列采集不同方向反射回來的激光束。FlashLiDAR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。Flash面陣式LiDAR的主要缺點(diǎn)是光子預(yù)算：一旦距離超過幾十米，返回光子的數(shù)量就太少，根本無法進(jìn)行可靠的探測。如果不是對場景進(jìn)行光覆蓋，以犧牲切向分辨率為代價，用網(wǎng)格點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)光來照明，這就可得到改善。垂直腔面發(fā)射激光器(VCSELs)使其可在不同方向同時發(fā)射成千上萬的光束。四、 激光雷達(dá)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用激光雷達(dá)擁有眾多已知的優(yōu)勢特征，如極高的距離分辨率和角分辨率、速度分辨率高、測速范圍廣、能獲得目標(biāo)的多種圖像、比微波雷達(dá)的體積和重量小等。這使得激光雷達(dá)能精確測量目標(biāo)位置(距離和角度)、運(yùn)動狀態(tài)(速度、振動和姿態(tài))和形狀，探測、識別、分辨和跟蹤目標(biāo)。激光雷達(dá)主要的實(shí)際應(yīng)用場景在于民用、軍事和科研領(lǐng)域。3.1民用領(lǐng)域伴隨著目前人工智能技術(shù)開發(fā)的熱潮，激光雷達(dá)在無人駕駛領(lǐng)域的應(yīng)用得到了前所未有的青睞。以谷歌為首的一批科技企業(yè)，汲取早前電動車巨擘特斯拉使用毫米波雷達(dá)和單目攝像頭進(jìn)行的無人駕駛實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的事故經(jīng)驗(yàn)，在識別物體時選擇激光雷達(dá)(LiDAR)技術(shù)，使得這一路線得到無人駕駛業(yè)界的進(jìn)一步肯定。3.3科學(xué)研究領(lǐng)域在科學(xué)研究領(lǐng)域用到激光雷達(dá)的學(xué)科也不少，尤其是在環(huán)境勘探監(jiān)測領(lǐng)域口。依賴于激光束與大氣物質(zhì)相互作用的理論基礎(chǔ)。不同波長的激光與大氣相互作用機(jī)制對應(yīng)于不同種類的大氣探測激光雷達(dá)。近來在海洋生命科學(xué)領(lǐng)域，激光雷達(dá)也正高效地為我國海洋事業(yè)強(qiáng)國夢發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。海洋生物中的浮游植物有著特殊的存在意義，因?yàn)槠渌Ｑ笊镆愿∮沃参镒鳛橹苯踊蜷g接的食物來源。為觀察海洋生物量的分布，一般會借助于測定海水中的葉綠素濃度來作為浮游植物生物量的指標(biāo)。傳統(tǒng)的儀器分析技術(shù)，如分光光度法、熒光分光光度法和色譜分析，雖然精度能滿足要求，但這些方法依靠逐點(diǎn)采樣測量的方式，分析速度很慢，故很難應(yīng)用于大面積水域的現(xiàn)場探測。海洋激光雷達(dá)是進(jìn)行葉綠素濃度測量的主動遙測設(shè)備，也是目前研究的一個熱點(diǎn)。另外，海洋遙感衛(wèi)星的發(fā)射，需要精確的地面遙測手段作為印證，激光雷達(dá)系統(tǒng)又可作為重要的印證設(shè)備。3.4軍事領(lǐng)域美國、俄羅斯等國在激光武器研發(fā)領(lǐng)域擁有深厚經(jīng)驗(yàn)，以他們?yōu)槭椎奈鞣杰娛聫?qiáng)國，將激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用在很多武器設(shè)備上，包括偵察用的成像激光雷達(dá)、直升機(jī)壁障激光雷達(dá)、化學(xué)試劑探測激光雷達(dá)和機(jī)載海洋激光雷達(dá)等。五、 結(jié)語誠然，激光雷達(dá)仍有很多不足之處，其中最重要的就是魯棒性較差。魯棒性是我們對“抗干擾性”工業(yè)上的通俗稱呼，指光源對目標(biāo)的位置敏感程度。激光源由于方向性強(qiáng)，放置在攝像頭視野的不同區(qū)域或不同角度時，對目標(biāo)對高亮區(qū)域的鏡面反射發(fā)生的可能性不同，圖像會隨之變化，不利于后續(xù)的特征提取，是為魯棒性差。而機(jī)器視覺基本不受約束。因此未來必然是多種類型傳感器相融合的時代，機(jī)器視覺與激光雷達(dá)技術(shù)攜手共存、優(yōu)勢互補(bǔ)是大勢所趨⑻。參考文獻(xiàn)：B.Koetz,F.Morsdorf,G.Sun,K.J.Ranson,K.Itten,B.Allg6wer,"InversionofaLidarWaveformModelforForestBiophysicalParameterEstimation”[J]，IEEEGEOSCIENCEANDREMOTESENSINGLETTERS,3(1),2006,p.49-53.陳湘君，陳自來,戴永江，蕭泉，“固體激光雷達(dá)的發(fā)展現(xiàn)狀”[J]，紅外與激光工程，1998馬宗峰，歐攀，張春熹，紅外探測器及其在系統(tǒng)中的應(yīng)用學(xué)術(shù)交流會，2007趙連城，中國功能材料科技與產(chǎn)業(yè)高層論壇，2009