激光雷达综述

激光雷达技术及其应用综述一、激光雷达的概念激光雷达（LIDAR-LightDetectedAndRanging）是一套复杂的光机系统，它结合了光源、光电探测等技术，有时还包括计算机图象处理技术，能够同时获得方位、俯仰角度、距离、强度等信息，特别适合用于森林结构的估计、城市建设、工业、农业、航空航天等领域[1]。一个典型的激光雷达结构示意图，如图1所示。激光雷达是一种主动式遥感探测设备，从工作原理来说，它只是把传统微波雷达的光源变成了激光：向被测目标发射激光信号,然后接收反射回来的信号、并与发射信号进行比较,作适当处理后,就可获得目标的有关信息。激光雷达不同于机器视觉技术，使用的是更为精确的激光光源和光电传感器，而机器视觉多是使用普通相机摄像头探测和CCD或CMOS作为图像传感器。激光雷达可以实现较大测量范围内的3D立体探测，但易受环境天气因素影响；使用微波（毫米波）雷达的机器视觉探测技术，立体测量范围有限、精度不高，但抗干扰性强、测量距离远。图1典型激光雷达系统结构二、激光雷达的关键技术2.1光源技术激光雷达系统中使用的光源，目前主要是CO2激光器，半导体激光器(LD)和以Nd：YAG为主的固体激光器。较远测程(数百米以上)的二极管激光成像雷达对其辐射源的要求,一是具有足够高的输出功率,二是具有足够窄的发射波束。目前商品化的二极管激光器虽可分别达到10W的平均功率和衍射极限的波束质量,但同一器件却难以同时满足这两项要求。一种可能的途径是采用面发射分布反馈(SEDFB)的二极管激光器阵列和微光学(MOC)准直技术。一个40阵列,采用微透镜组1.3cm×10cm孔径,得到0.5～0.75mrad发散度的10W连续输出功率。当然,为了实现这样的准直效果,必须对微光学系统进行精心设计加工,使其达到1μm的绝对准直精度,采用激光辅助化学腐蚀工艺制造微光学系统,可以满足这一要求。在具体设计时,必须对孔径尺寸,波束发散度和输出功率进行合理的折衷[2]。2.2传感器的选择如果说激光源是激光雷达的“发射机”，那么光电探测器就是“接收机”。类似雷达系统的接收机，光电探测器可选择如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管(APD)、红外和可见光多元探测器件等[3]。从激光源发射的脉冲只有小部分光子到达了光电探测器的有源探测区域[4]。若大气衰减不会随着脉冲路径发生变化，则激光的光束发散角可忽略不计，照明点小于目标，入射角度激光光源光电探测设备光学成像系统信息处理系统决策模块为零，反射为完全漫反射，那么脉冲光接收的峰值功率P(R)为：其中，P0为发射激光脉冲的光峰值功率，ρ为目标反射率，A0为接收器的孔径面积，η0为探测光的光谱透射，γ为大气衰减系数。上述方程表明，随着距离R的增加，接收功率迅速降低，当然这是显而易见的。而大气衰减主要是由于空气中的“瑞利散射”，由于它与波长的4次方成反比，所以大多数激光雷达传感器的接受光谱范围都处在近红外区。目前主流激光雷达供应商采用的也是1550nm波段的激光源。三、激光雷达的主要实现方法激光雷达目前尤以在汽车无人驾驶领域的应用最为引人关注。智能汽车的激光雷达测距壁障系统，是精确还原汽车周围的360°x20°的3D地图，需用光栅扫描单个或多个激光光束，或对场景进行光覆盖并收集点坐标数据。前一种方法被称为扫描式LiDAR，而后者是Flash面阵式LiDAR。3.1扫描式LiDAR①以Velodyne公司为例，安装在车顶的激光雷达平台以每分钟300~900转的速度旋转，同时从64颗905nm激光二极管发出脉冲。每个光束都有一颗专用雪崩光电二极管(APD)检测器。类似的方法是使用旋转多面镜，在不同方位和下倾角度，以略微不同的倾斜角度来控制单束脉冲。在恶劣且复杂的驾驶环境中，这两个设计中的运动部件都暗藏着失败的风险。②基于微机电系统(MEMS)，整套系统只需一个很小的反射镜就能引导固定的激光束射向不同方向。由于反射镜很小，因此其惯性力矩并不大，可以快速移动，速度快到可以在不到一秒时间里跟踪到2D扫描模式。MEMS激光雷达的一大优势是传感器可以动态调整自己的扫描模式，以此来聚焦特殊物体，采集更远更小物体的细节信息并对其进行识别，这是传统机械激光雷达无法实现的。③激光雷达采用相控阵(OPA)设计，它搭载的一排发射器可以通过调整信号的相对相位来改变激光束的发射方向。如果发射器同步发射激光，激光则会射向同一个方向。不过，如果左侧发射器相位处在右侧之后，激光则会发射向左边，向右发射同理[5]。相控阵LiDAR工作原理虽然OPA原理简单易懂，但相控阵激光雷达目前应用仍然没有机械式和MEMS激光雷达广泛，还有很大的上升和改进空间。3.2面阵式LiDAR多束密集的激光束直接向各个方向漫射，因此只要一次快闪就能照亮整个场景。它运行起来更像摄像头[6]。随后，系统会利用微型传感器阵列采集不同方向反射回来的激光束。FlashLiDAR的一大优势是它能快速记录整个场景，避免了扫描过程中目标或激光雷达移动带来的各种麻烦。不过，这种方式也有自己的缺陷。Flash面阵式LiDAR的主要缺点是光子预算：一旦距离超过几十米，返回光子的数量就太少，根本无法进行可靠的探测。如果不是对场景进行光覆盖，以牺牲切向分辨率为代价，用网格点状结构光来照明，这就可得到改善。垂直腔面发射激光器(VCSELs)使其可在不同方向同时发射成千上万的光束。四、激光雷达技术的实际应用激光雷达拥有众多已知的优势特征，如极高的距离分辨率和角分辨率、速度分辨率高、测速范围广、能获得目标的多种图像、比微波雷达的体积和重量小等。这使得激光雷达能精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。激光雷达主要的实际应用场景在于民用、军事和科研领域。3.1民用领域伴随着目前人工智能技术开发的热潮，激光雷达在无人驾驶领域的应用得到了前所未有的青睐。以谷歌为首的一批科技企业，汲取早前电动车巨擘特斯拉使用毫米波雷达和单目摄像头进行的无人驾驶实验中出现的事故经验，在识别物体时选择激光雷达(LiDAR)技术，使得这一路线得到无人驾驶业界的进一步肯定。3.3科学研究领域在科学研究领域用到激光雷达的学科也不少，尤其是在环境勘探监测领域[7]。依赖于激光束与大气物质相互作用的理论基础。不同波长的激光与大气相互作用机制对应于不同种类的大气探测激光雷达。近来在海洋生命科学领域，激光雷达也正高效地为我国海洋事业强国梦发挥着至关重要的作用。海洋生物中的浮游植物有着特殊的存在意义，因为其它海洋生物以浮游植物作为直接或间接的食物来源。为观察海洋生物量的分布，一般会借助于测定海水中的叶绿素浓度来作为浮游植物生物量的指标。传统的仪器分析技术，如分光光度法、荧光分光光度法和色谱分析，虽然精度能满足要求，但这些方法依靠逐点采样测量的方式，分析速度很慢，故很难应用于大面积水域的现场探测。海洋激光雷达是进行叶绿素浓度测量的主动遥测设备，也是目前研究的一个热点。另外，海洋遥感卫星的发射，需要精确的地面遥测手段作为印证，激光雷达系统又可作为重要的印证设备。3.4军事领域美国、俄罗斯等国在激光武器研发领域拥有深厚经验，以他们为首的西方军事强国，将激光雷达技术应用在很多武器设备上，包括侦察用的成像激光雷达、直升机壁障激光雷达、化学试剂探测激光雷达和机载海洋激光雷达等。五、结语诚然，激光雷达仍有很多不足之处，其中最重要的就是鲁棒性较差。鲁棒性是我们对“抗干扰性”工业上的通俗称呼，指光源对目标的位置敏感程度。激光源由于方向性强，放置在摄像头视野的不同区域或不同角度时，对目标对高亮区域的镜面反射发生的可能性不同，图像会随之变化，不利于后续的特征提取，是为鲁棒性差。而机器视觉基本不受约束。因此未来必然是多种类型传感器相融合的时代，机器视觉与激光雷达技术携手共存、优势互补是大势所趋[8]。参考文献:[1]B.Koetz,F.Morsdorf,G.Sun,K.J.Ranson,K.Itten,B.Allgöwer，“InversionofaLidarWaveformModelforForestBiophysicalParameterEstimation”[J]，IEEEGEOSCIENCEANDREMOTESENSINGLETTERS,3(1),2006,p.49-53.[2]陈湘君,陈自来,戴永江,萧泉，“固体激光雷达的发展现状”[J]，红外与激光工程，1998[3]马宗峰,欧攀,张春熹，红外探测器及其在系统中的应用学术交流会，2007[4]赵连城，中国功能材料科技与产业高层论坛，2009[5]叶征宇,赵思思,王智勇，“应用于激光雷达的光学相控阵技术”[J]，光电工程，2012(2)[6]方毅,张秀达,胡剑，“一种直接应用灰度叠加提高面阵激光雷达测距精度的方法”[J]，中国激光，2013[7]尹青,何金海,张华，“激光雷达在气象和大气环境监测中的应用”[J]，气象与环境学报，2009[8]张永泽,艾长胜，“基于激光雷达与机器视觉相结合的植保机械导航方式的研究”[J]，科技尚品，2016