什么是激光雷达？

激光雷达的定义

LiDAR 是“光检测与测距”（Light Detection and Ranging）的缩写。其工作原理是通过发射器发出激光，激光随后被环境中的物体反射回来。系统的接收器会检测到反射光，并通过测量光线往返于每个物体所需的时间（即飞行时间），LiDAR 从而生成该场景的详细距离图。

激光雷达（LiDAR）是一种光学技术，常被视为自动驾驶汽车进行距离测量的关键方法。许多制造商正在致力于开发经济实惠且结构紧凑的激光雷达系统。几乎所有致力于自动驾驶的厂商都将激光雷达视为关键使能技术，目前已有部分激光雷达系统可用于进阶 辅助系统（ADAS）。

激光雷达的工作原理是什么？它如何提供解决方案？

简而言之，激光雷达（LiDAR）是一种测距设备，用于测量与目标之间的距离。它通过发射短激光脉冲，并记录从发射光脉冲到检测到反射（后向散射）光脉冲之间的时间间隔来测量距离。

激光雷达系统可能利用扫描镜、多束激光或其他方式对目标空间进行“扫描”。凭借其精确测距的能力，激光雷达能够解决许多不同的问题。

在遥感领域，激光雷达系统能够测量大气中颗粒物或分子产生的散射、吸收或再发射现象。为此，这些系统对激光束的波长可能有特定要求。例如，激光雷达系统可以测量大气中特定分子物种的浓度，如甲烷和气溶胶含量。激光雷达还可以测量大气中的雨滴，从而估算风暴的距离和降雨强度。

其他激光雷达系统可提供物体空间中三维表面的轮廓。在这些系统中，探测激光束并不受限于特定的光谱特征。相反，您可以选择激光束的波长，以确保眼部安全或避开大气中的光谱特征。探测光束遇到“硬目标”时，会被反射回激光雷达接收器。

您还可以利用激光雷达（LiDAR）来测定目标的速度，方法包括采用多普勒技术，或者通过快速连续测量目标的距离。例如，激光雷达系统可以测量大气风速和汽车的速度。

此外，您还可以利用激光雷达系统构建动态场景的三维模型，例如自动驾驶车辆可能遇到的场景。实现这一目标的方法多种多样，通常采用扫描技术。

激光雷达面临哪些挑战？

实际应用中的激光雷达系统面临着若干众所周知的挑战，这些挑战会因系统的具体类型而异。一些常见的例子包括：

这些挑战是当前研发工作的重点，旨在提高激光雷达技术的可靠性、安全性及经济性。

激光雷达的应用领域广泛且多样。大气科学家利用激光雷达探测多种大气成分。他们利用该技术对大气中的气溶胶进行表征、研究高层大气风场、绘制云层剖面图、辅助收集气象数据，以及开展许多其他应用。

天文学家利用激光雷达（LiDAR）测量距离，无论是像月球这样遥远的物体，还是非常近的物体。事实上，激光雷达是实现月球距离测量精度达到毫米级的重要设备。他们还利用激光雷达为天文观测创建导星。

美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的科学家利用激光雷达生成的产品，对自然和人为环境进行研究。激光雷达数据为以下活动提供支持：洪水和风暴潮建模、水动力建模、海岸线测绘、应急响应、水文测绘以及海岸脆弱性分析。

此外，地形激光雷达利用近红外激光绘制陆地和建筑物的地图，而水深激光雷达则利用可穿透水体的绿光绘制海底和河床的地图。农业领域利用激光雷达绘制地形图和作物生长图，从而提供关于施肥需求和灌溉要求的资讯。考古学家则利用激光雷达，在茂密的森林冠层下绘制古代交通系统的地图。

如今，科学家们经常利用激光雷达（LiDAR）来构建激光雷达传感器周围环境的三维模型。自主导航便是利用激光雷达系统生成的点云数据的一种应用。甚至在手机这样的小型设备中，也能找到微型激光雷达系统。

激光雷达在实际应用中表现如何？

激光雷达（LiDAR）的一个引人入胜的应用是用于自主导航等情况下的态势感知。任何移动车辆的态势感知系统都需要能够感知周围的静止和移动物体。例如，雷达长期以来一直被用于探测飞机。 地面车辆制造商也发现激光雷达非常有用，因为它能测定与物体的距离，且在方向性方面非常精准。它们可以将探测光束指向精确的角度，并快速扫描以生成点云，从而构建三维模型。快速扫描的能力是该应用的关键，因为车辆周围的环境变化极快。

图5. 自动 驾驶汽车中的传感器利用摄像头数据、雷达和激光雷达来探测周围的物体。

图6. 自动驾驶 汽车利用激光雷达传感器探测周围的建筑物和车辆。

软件是激光雷达系统开发和运行各个环节的关键。这意味着设计激光雷达系统需要多种类型的软件。

系统工程师需要一个辐射模型来预测回波的信噪比。光学工程师需要软件来完成光学设计。电子工程师需要一个电子模型来完成电路设计。机械工程师需要一套CAD软件来完成系统布局。工程师们可能还需要结构和热仿真软件。

激光雷达系统的运行需要控制软件和重建软件，后者负责将点云转换为三维模型。是德科技提供多种光学和光子学工具，以支持激光雷达系统及组件的设计：