什么是激光雷達(dá)？

激光雷達(dá)（LiDAR）是光探測(cè)與測(cè)距（Light Detection and Ranging）技術(shù)的縮寫。在工作過(guò)程中，激光束從光源發(fā)射并被場(chǎng)景中的物體反射回探測(cè)器，通過(guò)測(cè)量光束飛行時(shí)間（Time of Flight，簡(jiǎn)稱ToF），可以推算出場(chǎng)景內(nèi)物體的距離，并生成距離地圖。

目前，LiDAR已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。在大氣科學(xué)中，LiDAR被用于空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)和污染物檢測(cè)；在天文學(xué)領(lǐng)域，LiDAR技術(shù)可用于觀察行星表面地貌特征以及太陽(yáng)系內(nèi)其他天體的形態(tài)結(jié)構(gòu)；在工程建設(shè)方面，利用LiDAR技術(shù)可以快速獲取地形數(shù)據(jù)、制作數(shù)字高程模型（DEM）以及生成精確的三維地圖；而在汽車領(lǐng)域中，人們普遍認(rèn)為L(zhǎng)iDAR是一項(xiàng)關(guān)鍵的光學(xué)距離感知技術(shù)，在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。幾乎所有投入自動(dòng)駕駛研發(fā)的廠商都將LiDAR視為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并且已經(jīng)有一些低成本、小體積的LiDAR系統(tǒng)被應(yīng)用于高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driver Assistance Systems, ADAS）。

LiDAR 系統(tǒng)的工作原理及解決方案

本質(zhì)上講，LiDAR 是一個(gè)測(cè)量目標(biāo)物體距離的裝置。通過(guò)發(fā)射一個(gè)短的激光脈沖，并記錄發(fā)射光脈沖與探測(cè)到的反射（反向散射）光脈沖的時(shí)間間隔，就可以推算出距離信息。

▲系統(tǒng)的工作原理及解決方案

LiDAR系統(tǒng)可以使用掃描反射鏡，多束激光或其它的方式“掃描”物體空間。借助其精確的測(cè)距能力，LiDAR 能夠用于解決許多不同的問(wèn)題。

在遙感應(yīng)用中，LiDAR系統(tǒng)用于測(cè)量散射，吸收，或大氣中的顆粒或原子的再發(fā)射。在這些應(yīng)用中，對(duì)激光束的波長(zhǎng)可能會(huì)有專門的要求。可以用來(lái)測(cè)量特定分子種類在大氣中的濃度，例如甲烷和氣溶膠含量。而測(cè)量大氣中的雨滴則可以用來(lái)估計(jì)風(fēng)暴距離和降水概率。

LiDAR還能夠用于確定測(cè)量目標(biāo)的速度。這可以通過(guò)多普勒方法或快速連續(xù)測(cè)距來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，可以使用LiDAR系統(tǒng)測(cè)量風(fēng)速和車速。

另外，LiDAR系統(tǒng)能夠用于建立動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的三維模型，這是自動(dòng)駕駛中會(huì)遇到的情形。這可以通過(guò)多種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，通常使用的是掃描的方式。

LiDAR 技術(shù)中的挑戰(zhàn)

在可實(shí)現(xiàn)的LiDAR系統(tǒng)中存在一些眾所周知的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)根據(jù)LiDAR系統(tǒng)的類型有所不同。以下是一些示例：

隔離和抑制發(fā)射光束的信號(hào)——探測(cè)光束的輻射亮度通常遠(yuǎn)大于回波光束。必須注意確保探測(cè)光束不會(huì)被系統(tǒng)自身反射或散射回接收器，否則探測(cè)器將會(huì)因?yàn)轱柡投鵁o(wú)法探測(cè)外部目標(biāo)。

發(fā)射端與預(yù)定目標(biāo)之間的大氣雜質(zhì)會(huì)產(chǎn)生虛假回波——這些大氣雜質(zhì)產(chǎn)生的虛假回波可能會(huì)非常強(qiáng)烈，以至于無(wú)法可靠的檢測(cè)到來(lái)自預(yù)定目標(biāo)物的回波信號(hào)。

可用光功率限制——更高功率的光束可以提供更高的精度，但也更加昂貴。

掃描速度——激光光源的工作頻率可能對(duì)人眼造成危害并引發(fā)安全問(wèn)題，然而我們可以通過(guò)其他方法來(lái)緩解這個(gè)問(wèn)題。例如，固態(tài)LiDAR能夠在不威脅人眼安全的波長(zhǎng)下運(yùn)行，并且還能照亮更廣闊的區(qū)域。

來(lái)自附近其他LiDAR裝置的信號(hào)串?dāng)_可能會(huì)干擾目標(biāo)信號(hào)。當(dāng)前所面臨的挑戰(zhàn)在于如何區(qū)分來(lái)自周邊其他LiDAR設(shè)備的信號(hào)，而各種信號(hào)調(diào)制和隔離方法也正在積極研發(fā)中。

LiDAR系統(tǒng)的成本和維護(hù)——這類系統(tǒng)相比一些替代技術(shù)所使用的傳感器類型更加昂貴，當(dāng)然持續(xù)不斷的開發(fā)工作也在積極進(jìn)行，為滿足其大規(guī)模使用的需要而開發(fā)生產(chǎn)成本更低的系統(tǒng)。抑制非目標(biāo)對(duì)象的回波——類似于抑制之前提到的大氣虛假信號(hào)。但是這也可能會(huì)出現(xiàn)在空氣質(zhì)量良好的情況下。應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)通常涉及在不同的目標(biāo)距離處，以及在LiDAR接收器的視場(chǎng)范圍之內(nèi)使光束尺寸盡可能更小。

LiDAR 技術(shù)的其它應(yīng)用

LiDAR 的應(yīng)用范圍廣泛而多樣。在大氣科學(xué)中，LiDAR已被用于檢測(cè)多種大氣成分。已經(jīng)應(yīng)用于表征大氣中的氣溶膠，研究高層大氣風(fēng)，剖面云，幫助收集天氣數(shù)據(jù)，以及其它許多應(yīng)用場(chǎng)合。在天文學(xué)中，LiDAR已被用于測(cè)量距離，包括遠(yuǎn)距離物體（例如月球）和近距離物體。實(shí)際上，LiDAR是將地月距離測(cè)量的精度提高到毫米級(jí)的關(guān)鍵設(shè)備。LiDAR還在天文學(xué)應(yīng)用中用于建立導(dǎo)星。

▲ 大橋的俯視圖（左上）和側(cè)視圖（左下）

LiDAR 數(shù)據(jù)通常在空中收集，如NOAA在加州大蘇爾Bixby大橋上空的調(diào)查飛機(jī)（右圖）。這里的LiDAR數(shù)據(jù)顯示了Bixby大橋的俯視圖（左上）和側(cè)視圖（左下）。NOAA的科學(xué)家使用基于LiDAR的裝置檢查自然和人造環(huán)境。LiDAR數(shù)據(jù)支持洪水和風(fēng)暴潮建模、水動(dòng)力建模、海岸線測(cè)繪、應(yīng)急響應(yīng)、水文測(cè)量以及海岸脆弱性分析等活動(dòng)。

此外，地形LiDAR使用近紅外激光繪制地形和建筑物地圖，而測(cè)深LiDAR使用透水綠光繪制海底和河床地圖。在農(nóng)業(yè)中，LiDAR可用于繪制拓?fù)鋱D和作物生長(zhǎng)圖，從而提供有關(guān)肥料需求和灌溉需求的信息。在考古學(xué)中，LiDAR已被用于繪制茂密森林樹冠下的古代交通系統(tǒng)地圖。

如今，LiDAR經(jīng)常用于創(chuàng)建所處空間的三維模型。自主導(dǎo)航是使用LiDAR系統(tǒng)生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的應(yīng)用之一。微型LiDAR系統(tǒng)甚至能夠嵌入在手機(jī)大小的設(shè)備中。

LiDAR 在現(xiàn)實(shí)世界中如何發(fā)揮作用

自主導(dǎo)航中的態(tài)勢(shì)感知是LiDAR的一個(gè)最引人入勝的應(yīng)用。任何移動(dòng)車輛的態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)都需要同樣了解其周圍的靜止和移動(dòng)物體。例如，雷達(dá)技術(shù)長(zhǎng)期以來(lái)用于探測(cè)飛機(jī)。對(duì)于地面車輛，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)LiDAR非常有用，因?yàn)樗軌虼_定物體的距離并且在方向性上非常精確。探測(cè)光束能夠在角度上精確定向并快速掃描，據(jù)此創(chuàng)建三維模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)。因?yàn)檐囕v周圍的情況是高度動(dòng)態(tài)的，所以快速掃描能力對(duì)這類應(yīng)用至關(guān)重要。

▲自動(dòng)駕駛汽車中的汽車傳感器使用攝像頭數(shù)據(jù)、雷達(dá)和LiDAR來(lái)檢測(cè)周圍的物體

▲ 自動(dòng)駕駛汽車使用LiDAR傳感器探測(cè)周圍建筑和車輛

開發(fā)LiDAR 系統(tǒng)所需要的軟件工具

軟件在LiDAR系統(tǒng)的創(chuàng)建和運(yùn)行中的各個(gè)環(huán)節(jié)都非常關(guān)鍵。系統(tǒng)工程師需要輻射模型來(lái)預(yù)測(cè)回波信號(hào)的信噪比。電子工程師需要電子模型來(lái)建立電氣設(shè)計(jì)。機(jī)械工程師需要CAD工具來(lái)完成系統(tǒng)布局。還可能會(huì)需要結(jié)構(gòu)和熱建模軟件。LiDAR系統(tǒng)的運(yùn)行需要控制軟件和將點(diǎn)云轉(zhuǎn)換并重建為三維模型的軟件。而LiDAR是利用光作為探測(cè)媒介來(lái)感知周圍的系統(tǒng)，因此光學(xué)工程師運(yùn)用光學(xué)軟件設(shè)計(jì)可靠穩(wěn)定的光學(xué)系統(tǒng)是關(guān)鍵。

新思科技提供的多個(gè)光學(xué)和光子學(xué)工具，可用于支持LiDAR的系統(tǒng)級(jí)和元件級(jí)設(shè)計(jì)：

CODE V 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，用于在LiDAR系統(tǒng)中設(shè)計(jì)光學(xué)接收系統(tǒng)。

光學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)用：在 LiDAR系統(tǒng)中優(yōu)化接收器上的圈入能量。

▲ 使用CODE V優(yōu)化LiDAR中的接收光學(xué)系統(tǒng)

LightTools 照明設(shè)計(jì)軟件能模擬雨滴、霧霾等大氣環(huán)境對(duì)光信號(hào)探測(cè)造成的影響，并能獲取返回光程數(shù)據(jù)以解決飛行時(shí)間計(jì)算問(wèn)題。

用于 LiDAR 和激光光源的功能。

▲ 使用LightTools模擬LiDAR光學(xué)系統(tǒng)

Photonic Solutions光子方案模擬工具，能夠?qū)iDAR系統(tǒng)中的多個(gè)組件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

RSoft 工具，能夠支持對(duì)片上LiDAR器件進(jìn)行復(fù)雜的布局設(shè)計(jì)。任何單一仿真工具都無(wú)法勝任如此復(fù)雜性質(zhì)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。組合使用RSoft工具，如FullWAVE FDTD用于發(fā)射器，Multiphysics Utility用于T-O Phaser，BeamPROP BPM用于分束器，將會(huì)達(dá)成最佳布局設(shè)計(jì)。

OptSim，用于設(shè)計(jì)和模擬光通信系統(tǒng)。

光學(xué)相干斷層掃描（OCT）和光探測(cè)和測(cè)距（LiDAR）應(yīng)用中接收到的射頻頻譜，得到飛行時(shí)間（ToF）的分辨率及測(cè)量結(jié)果。

OptoCompiler，用于光子集成電路。

光子集成電路的應(yīng)用領(lǐng)域也在持續(xù)擴(kuò)展，從數(shù)據(jù)中心中的收發(fā)器和開關(guān)到更多樣化的汽車，生物醫(yī)學(xué)和傳感器市場(chǎng)，如（固態(tài)）LiDAR，層析成像和自由空間傳感器。

▲ 在片上LiDAR的設(shè)計(jì)中對(duì)不同元件組合使用RSoft工具

總結(jié)

總之，隨著科技不斷進(jìn)步與發(fā)展，LiDAR已經(jīng)成為多個(gè)領(lǐng)域不可或缺且無(wú)法替代的關(guān)鍵工具之一。其廣泛應(yīng)用將進(jìn)一步推動(dòng)各行各業(yè)向著更加智能化、高效率和精準(zhǔn)度發(fā)展，并為人類社會(huì)帶來(lái)更多福祉與便利。

審核編輯：湯梓紅