激光雷達技術及其應用綜述一、激光雷達的概念激光雷達(LIDAR-LightDetectedAndRanging)是一套復雜的光機系統，它結合了光源、光電探測等技術，有時還包括計算機圖象處理技術，能夠同時獲得方位、俯仰角度、距離、強度等信息，特別適合用于森林結構的估計、城市建設、工業、農業、航空航天等領域［1］。一個典型的激光雷達結構示意圖，如圖1所示。激光雷達是一種主動式遙感探測設備，從工作原理來說，它只是把傳統微波雷達的光源變成了激光：向被測目標發射激光信號然后接收反射回來的信號、并與發射信號進行比較,作適當處理后，就可獲得目標的有關信息。激光雷達不同于機器視覺技術，使用的是更為精確的激光光源和光電傳感器，而機器視覺多是使用普通相機攝像頭探測和CCD或CMOS作為圖像傳感器。激光雷達可以實現較大測量范圍內的3D立體探測，但易受環境天氣因素影響；使用微波(毫米波)雷達的機器視覺探測技術，立體測量范圍有限、精度不高，但抗干擾性強、測量距離遠。圖1 典型激光雷達系統結構二、激光雷達的關鍵技術1光源技術激光雷達系統中使用的光源，目前主要是CO2激光器，半導體激光器(LD)和以Nd：YAG為主的固體激光器。 2較遠測程(數百米以上)的二極管激光成像雷達對其輻射源的要求，一是具有足夠高的輸出功率，二是具有足夠窄的發射波束。目前商品化的二極管激光器雖可分別達到10W的平均功率和衍射極限的波束質量，但同一器件卻難以同時滿足這兩項要求。一種可能的途徑是采用面發射分布反饋(SEDFB)的二極管激光器陣列和微光學(MOC)準直技術。一個40陣列，采用微透鏡組1.3cmX10cm孔徑，得到0.5?0.75mrad發散度的10W連續輸出功率。當然，為了實現這樣的準直效果，必須對微光學系統進行精心設計加工，使其達到1um的絕對準直精度，采用激光輔助化學腐蝕工藝制造微光學系統，可以滿足這一要求。在具體設計時，必須對孔徑尺寸，波束發散度和輸出功率進行合理的折衷⑵。2傳感器的選擇如果說激光源是激光雷達的“發射機”，那么光電探測器就是“接收機”。類似雷達系統的接收機，光電探測器可選擇如光電倍增管、半導體光電二極管、雪崩光電二極管(APD)、紅外和可見光多元探測器件等⑶。從激光源發射的脈沖只有小部分光子到達了光電探測器的有源探測區域［4］。若大氣衰減不會隨著脈沖路徑發生變化，則激光的光束發散角可忽略不計，照明點小于目標，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為發射激光脈沖的光峰值功率，P為目標反射率，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。上述方程表明，隨著距離R的增加，接收功率迅速降低，當然這是顯而易見的。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，所以大多數激光雷達傳感器的接受光譜范圍都處在近紅外區。目前主流激光雷達供應商采用的也是1550nm波段的激光源。三、激光雷達的主要實現方法激光雷達目前尤以在汽車無人駕駛領域的應用最為引人關注。智能汽車的激光雷達測距壁障系統，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，或對場景進行光覆蓋并收集點坐標數據。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，安裝在車頂的激光雷達平臺以每分鐘300~900轉的速度旋轉，同時從64顆905nm激光二極管發出脈沖。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。在惡劣且復雜的駕駛環境中，這兩個設計中的運動部件都暗藏著失敗的風險。基于微機電系統(MEMS)，整套系統只需一個很小的反射鏡就能引導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激光雷達的一大優勢是傳感器可以動態調整自己的掃描模式，以此來聚焦特殊物體，采集更遠更小物體的細節信息并對其進行識別，這是傳統機械激光雷達無法實現的。激光雷達采用相控陣(OPA)設計，它搭載的一排發射器可以通過調整信號的相對相位來改變激光束的發射方向。如果發射器同步發射激光，激光則會射向同一個方向。不過，如果左側發射器相位處在右側之后，激光則會發射向左邊，向右發射同理&相控陣LiDAR工作原理雖然OPA原理簡單易懂，但相控陣激光雷達目前應用仍然沒有機械式和MEMS激光雷達廣泛，還有很大的上升和改進空間。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。它運行起來更像攝像頭⑹。隨后，系統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的一大優勢是它能快速記錄整個場景，避免了掃描過程中目標或激光雷達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的主要缺點是光子預算：一旦距離超過幾十米，返回光子的數量就太少，根本無法進行可靠的探測。如果不是對場景進行光覆蓋，以犧牲切向分辨率為代價，用網格點狀結構光來照明，這就可得到改善。垂直腔面發射激光器(VCSELs)使其可在不同方向同時發射成千上萬的光束。四、 激光雷達技術的實際應用激光雷達擁有眾多已知的優勢特征，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、能獲得目標的多種圖像、比微波雷達的體積和重量小等。這使得激光雷達能精確測量目標位置(距離和角度)、運動狀態(速度、振動和姿態)和形狀，探測、識別、分辨和跟蹤目標。激光雷達主要的實際應用場景在于民用、軍事和科研領域。3.1民用領域伴隨著目前人工智能技術開發的熱潮，激光雷達在無人駕駛領域的應用得到了前所未有的青睞。以谷歌為首的一批科技企業，汲取早前電動車巨擘特斯拉使用毫米波雷達和單目攝像頭進行的無人駕駛實驗中出現的事故經驗，在識別物體時選擇激光雷達(LiDAR)技術，使得這一路線得到無人駕駛業界的進一步肯定。3.3科學研究領域在科學研究領域用到激光雷達的學科也不少，尤其是在環境勘探監測領域口。依賴于激光束與大氣物質相互作用的理論基礎。不同波長的激光與大氣相互作用機制對應于不同種類的大氣探測激光雷達。近來在海洋生命科學領域，激光雷達也正高效地為我國海洋事業強國夢發揮著至關重要的作用。海洋生物中的浮游植物有著特殊的存在意義，因為其它海洋生物以浮游植物作為直接或間接的食物來源。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。傳統的儀器分析技術，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采樣測量的方式，分析速度很慢，故很難應用于大面積水域的現場探測。海洋激光雷達是進行葉綠素濃度測量的主動遙測設備，也是目前研究的一個熱點。另外，海洋遙感衛星的發射，需要精確的地面遙測手段作為印證，激光雷達系統又可作為重要的印證設備。3.4軍事領域美國、俄羅斯等國在激光武器研發領域擁有深厚經驗，以他們為首的西方軍事強國，將激光雷達技術應用在很多武器設備上，包括偵察用的成像激光雷達、直升機壁障激光雷達、化學試劑探測激光雷達和機載海洋激光雷達等。五、 結語誠然，激光雷達仍有很多不足之處，其中最重要的就是魯棒性較差。魯棒性是我們對“抗干擾性”工業上的通俗稱呼，指光源對目標的位置敏感程度。激光源由于方向性強，放置在攝像頭視野的不同區域或不同角度時，對目標對高亮區域的鏡面反射發生的可能性不同，圖像會隨之變化，不利于后續的特征提取，是為魯棒性差。而機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，機器視覺與激光雷達技術攜手共存、優勢互補是大勢所趨⑻。參考文獻：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，“固體激光雷達的發展現狀”[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中的應用學術交流會，2007趙連城，中國功能材料科技與產業高層論壇，2009