什么是激光雷达及其工作原理

无人驾驶汽车是1990年代最大的技术幻想之一（由诸如“ The Love Bug”和“ Demolition Man”之类的较早电影推动）如今已成为现实，这要归功于多项技术（尤其是LIDAR）的巨大进步。

什么是LiDAR？

LIDAR（测光和测距的缩写）是一种测距技术，它通过在目标上发射光束来测量物体的距离，并使用反射光束的时间和波长来估计距离，并且在某些应用中（激光成像），创建对象的3D表示。

虽然激光背后的想法可以追溯到1930年EH Synge的工作，但直到1960年代初激光发明之后，这才成为问题。它本质上是将激光聚焦成像与使用飞行时间技术计算距离的能力相结合，它在气象学（最早用于测量云）和空间（最早用于激光测高仪进行测绘）中的应用最早。阿波罗15号任务期间的月球表面。从那时起，该技术得到了改进，并已用于多种应用中，包括：检测地震活动，海洋学，考古学和航海方面仅举几例。

LiDAR如何工作

该技术与RADAR（舰船和飞机使用的无线电波导航）和SONAR（主要用于潜艇的水下物体检测和使用声音的导航，主要由潜艇使用）非常相似，它们都使用波的反射原理进行物体检测和距离探测。估计。但是，虽然RADAR基于无线电波，而SONAR基于声音，而LIDAR基于光束（激光）。

LIDAR使用不同波长的光，包括：紫外线，可见光或近红外光对图像对象及其本身，能够检测所有种类的材料成分，包括；非金属，岩石，雨水，化合物，气溶胶，云甚至单个分子。LIDAR系统可以每秒发射多达1,000,000个光脉冲，并使用脉冲反射回扫描仪所花费的时间来确定扫描仪周围物体和表面所处的距离。用于距离确定的技术称为飞行时间，其方程式如下。

距离=（光速x飞行时间）/ 2

在大多数应用中，除了远距离测量外，还会创建发射光束的环境/物体​​的3D地图。这是通过在物体或环境上连续发射激光束来完成的。

重要的是要注意，与在平面镜中获得的镜面反射不同，LIDAR系统中遇到的反射是背向散射反射，因为光波沿其到达的方向扩散回去。根据应用的不同，LIDAR系统会使用不同的反向散射变体，包括瑞利散射和拉曼散射，

激光雷达系统的组件

LIDAR系统通常包含5个元素，这些元素预计会出现，而与应用程序造成的变化无关。这些主要组件包括：

1. 激光
2. 扫描仪和光学系统
3. 处理器
4. 精确定时电子
5. 惯性测量单元和GPS

1.激光

激光用作光脉冲的能量来源。由于某些应用程序的特定要求，激光雷达系统中部署的激光器的波长因一种应用程序而异。例如，机载LiDAR系统使用1064 nm二极管泵浦的YAG激光器，而测深系统使用532nm双二极管泵浦的YAG激光器，其穿透水（最长40米）时的衰减比机载1064nm版本要小得多。但是，无论使用哪种应用，所使用的激光器通常能量较低，以确保安全。

2.扫描仪和光学

扫描仪是任何激光雷达系统的重要组成部分。他们负责将激光脉冲投射到表面并接收从表面反射回来的脉冲。LIDAR系统显影图像的速度取决于扫描仪捕获反向散射光束的速度。无论何种应用，在LIDAR系统中使用的光学器件都必须具有高精度和高质量，才能获得最佳效果，尤其是对于制图而言。透镜的类型，特定的玻璃选择以及所用的光学涂层是LIDAR分辨率和测距能力的主要决定因素。

根据应用程序，可以针对不同的分辨率部署各种扫描方法。方位角和仰角扫描以及双轴扫描是一些最流行的扫描方法。

3.处理器

高容量处理器通常是任何激光雷达系统的核心。它用于同步和协调LIDAR系统所有单个组件的活动，以确保所有组件都在应有的状态下工作。处理器将来自扫描仪，计时器（如果未将其内置到处理子系统中），GPS和IMU的数据进行集成，以生成LIDAR点数据。然后，根据应用程序将这些高程点数据用于创建地图。在无人驾驶汽车中，点数据用于提供环境的实时地图，以帮助汽车避开障碍物并进行常规导航。

随着光以每纳秒0.3米的速度传播并且成千上万的光束通常反射回扫描仪，因此通常要求处理器具有高处理能力的高速化。因此，计算元件处理能力的进步一直是激光雷达技术的主要驱动力之一。

4.定时电子

准确的定时在LIDAR系统中至关重要，因为整个操作都是按时进行的。计时电子设备代表LIDAR子系统，该子系统记录激光脉冲离开的确切时间及其返回扫描仪的确切时间。

它的精度和准确性不能过分强调。由于散射反射，发出的脉冲通常具有多个返回，每个返回都需要精确计时以确保数据的准确性。

5.惯性测量单元和GPS

当LiDAR传感器安装在卫星，飞机或汽车等移动平台上时，有必要确定传感器的绝对位置和方向以保留可用数据。这是通过使用惯性测量系统（IMU）和全球定位系统（GPS）来实现的。 IMU通常由加速度计，陀螺仪和磁力计组成，以测量速度，方向和重力，将它们组合在一起即可确定扫描仪相对于地面的角度方向（俯仰，侧倾和偏航）。另一方面，GPS提供了有关传感器位置的准确地理信息，因此可以直接对目标点进行地理配准。这两个组件提供了将传感器数据转换为静态点以在各种系统中使用的方法。

使用GPS和IMU获得的额外信息对于所获取数据的完整性至关重要，并且有助于确保正确估计距地面的距离，尤其是在移动LIDAR应用（如自动驾驶汽车和基于飞机的飞行器想象系统）中。

激光雷达的类型

虽然可以基于许多因素将LIDAR系统分为几类，但LIDAR系统有三种通用类型：

1. 测距仪LIDAR
2. 差分吸收激光雷达
3. 多普勒激光雷达

1.测距仪激光雷达

这些是最简单的LIDAR系统。它们用于确定从LIDAR扫描仪到物体或表面的距离。通过使用“工作原理”部分所述的飞行时间原理，反射光束入射到扫描仪上所花费的时间被用来确定激光雷达系统与物体之间的距离。

2.差分吸收激光雷达

差分吸收LIDAR系统（有时称为DIAL）通常用于调查某些分子或材料的存在。DIAL系统通常会发射两种波长的激光束，选择的波长应使目标分子吸收其中一个波长，而另一个波长则不会。光束之一的吸收导致由扫描仪接收的返回光束的强度的差异（差分吸收）。然后使用这种差异来推论所研究分子的存在水平。DIAL已用于测量大气中的化学物质浓度（例如臭氧，水蒸气，污染物）。

3.多普勒激光雷达

多普勒激光雷达用于测量目标的速度。当从激光雷达发射的光束击中朝向或远离激光雷达的目标时，从目标反射/散射的光的波长将略有变化。这就是所谓的多普勒频移-结果就是多普勒激光雷达。如果目标远离LiDAR，则返回光将具有更长的波长（有时称为红移），如果朝LiDAR方向移动，则返回光将具有较短的波长（蓝移）。

将LIDAR系统分为几种类型的其他一些分类包括：

1. 平台
2. 反向散射类型

基于平台的LiDAR类型

以平台为标准，激光雷达系统可以分为四种类型：

1. 地面激光雷达
2. 机载激光雷达
3. 星载激光雷达
4. 运动激光雷达

这些激光雷达在结构，材料，波长，外观和其他因素方面有所不同，通常会选择这些激光雷达，以适合要在其部署环境中使用的激光雷达。

基于反向散射类型的激光雷达类型

在描述激光雷达系统的工作方式时，我提到激光雷达中的反射是通过反向散射实现的。不同类型的反向散射出口及其有时用于描述激光雷达的类型。反向散射的类型包括；

1. 三重
2. 瑞利
3. 拉曼
4. 荧光性

激光雷达的应用

由于其极高的准确性和灵活性，激光雷达具有广泛的应用，特别是高分辨率地图的制作。除了测量外，LIDAR还被用于农业，考古和机器人领域，因为它目前是自动驾驶汽车竞赛的主要推动力之一，它是大多数具有LIDAR系统功能的车辆中使用的主要传感器。车辆的眼睛。

LiDAR的其他应用有100多种，并将在下面尽可能多地提及。

1. 自动驾驶汽车
2. 3D成像
3. 土地调查
4. 电力线检查
5. 旅游与公园管理
6. 森林保护环境评估
7. 洪水建模
8. 生态与土地分类
9. 污染建模
10. 石油和天然气勘探
11. 气象
12. 海洋学
13. 各种军事应用
14. 小区网络规划
15. 天文学

LiDAR的局限性

像其他所有技术一样，激光雷达也有其缺点。在恶劣天气条件下，激光雷达系统的范围和准确性会受到严重影响。例如，在有雾条件下，由于光束被雾反射，会产生大量的虚假信号。这通常会导致mie散射效应，因此，大部分发射光束不会返回到扫描仪。由于雨水颗粒会导致虚假的回报，因此雨水也会发生类似的情况。

除了天气以外，还可以通过（故意或故意）欺骗激光雷达系统以通过闪烁“灯光”认为物体存在。根据2015年发表的一篇论文，在安装在自动驾驶汽车上的LIDAR系统上闪烁一个简单的激光指示器可能会使汽车的导航系统迷失方向，给人的印象是没有物体存在。这种缺陷，特别是在无人驾驶汽车的激光应用中，引起了很多安全隐患，因为劫车者无需花很长时间就能完善用于攻击的原理。如果他们感觉到自己认为是另一辆汽车或行人，也可能导致事故在道路中间突然停车的事故。

LiDAR的优缺点

为了总结本文，我们可能应该看看LIDAR可能非常适合您的项目的原因以及您应该避免使用LIDAR的原因。

优点

1.高速准确的数据采集

2.高穿透力

3.不受环境光强度的影响，可以在夜间或阳光下使用。

4.与其他方法相比，高分辨率成像。

5.没有几何变形

6.轻松与其他数据采集方法集成。

7. LIDAR具有最低的人为依赖性，这在某些人为错误可能影响数据可靠性的应用中非常有用。

缺点

1.激光雷达的成本使其在某些项目中显得过高。最好将LIDAR描述为相对昂贵。

2.在大雨，大雾或大雪条件下，激光雷达系统的性能较差。

3. LIDAR系统生成大型数据集，需要大量的计算资源来处理。

4.在湍流水应用中不可靠。

5.取决于所采用的波长，激光雷达系统的性能会受到一定程度的限制，因为某些种类的激光雷达中发射的脉冲在某些高度会失效。

激光爱好者和制造商

由于激光雷达的成本，市场上的大多数激光雷达系统（如Velodyne激光雷达）都用于工业应用（将所有“非爱好者”应用结合在一起）。

目前最接近“爱好者级” LIDAR系统的是Hybo设计的iLidar固态LiDAR传感器。这是一个小型LiDAR系统，能够进行3D映射（不旋转传感器），最大有效范围为6米。该传感器在UART / SPI / i2C端口旁边配备了USB端口，通过该端口可以在传感器和微控制器之间建立通信。

iLidar的设计适合所有人，而LiDAR的相关功能使其对制造商具有吸引力。