现代激光雷达系统：适用于各行各业的传感

最近的技术进步开启了以数字形式捕捉物理世界的前所未有的方式。其中一种方式是光探测和测距，或激光雷达。许多应用和行业都采用了激光雷达技术;应用范围从地理调查到3D结构映射和对象识别。行业包括制造自动化、安全、农业等。所有这些应用和行业都利用激光雷达来降低成本，创造更安全的环境，提高效率，甚至做以前不可能的事情。为了更好地了解激光雷达的影响，重要的是要了解这项技术是什么，在它之前使用了什么，以及激光雷达允许我们实际测量什么，更重要的是，做什么。

在最基本的层面上，激光雷达是一个从物体上反射光线以检测它们的系统。这归结为系统的发射部分发出光，以及测量反射光返回时间的接收部分。这恰好是传统雷达系统的工作方式，但有一个非常重要的区别——激光雷达系统的波长比最短的雷达波长短一万倍。

激光雷达有什么不同？

更短的波长使我们能够做雷达无法做到的事情吗？较短的波长使我们能够看到更高分辨率的图像，这是由于物理限制，测量不能比用于测量的图像更精确。即使有软件和信号处理方面的技巧，也只有在使用长波长来做到这一点的情况下，您才能很好地表征某些东西。使用激光雷达较短的波长，我们可以扫描环境中的物体及其特征，而不仅仅局限于知道位置、粗略尺寸和速度。

想象一下，试图在一个陌生的黑暗房间里导航。你通常比它被照亮时移动得更慢，你会用你的手去摸周围的物体，以了解什么在哪里。采取同样的场景，戴上一副乳胶手套、园艺手套或拳击手套。这些手套中的每一副在各自的应用中都有价值，但在试图在黑暗中导航时就没有那么多了。

激光雷达不是已经存在了几十年吗？什么是新的？

雷达已经非常成功地使用了几十年，并将继续是无价的，但现在我们有一个额外的工具即将出现，它将使我们能够进一步扩展我们感知这个世界上事物的能力。到目前为止，激光雷达仅限于大型和昂贵的应用（如专门的测量设备）或更小和更简单的应用（如执法部门使用的速度检测设备）。

高性能激光雷达系统必须满足某些标准。例如，发射部分需要以3 A至5 A的峰值脉冲激光器40 ns至80 ns，以使其对汽车具有吸引力 - 激光驱动器终于接近这些感兴趣的指标，使LIDAR的这一部分成为现实。其他因素包括小型高效的电源管理、子系统的集成、廉价的高速数据处理以及用于理解所有这些数据的复杂软件。我们提高激光雷达系统性能和降低功率预算的能力已接近在许多应用中使用它们的意义，而这些应用以前根本无法满足需求。由于这种接近临界质量，在降低成本、尺寸和功率需求的同时提高性能的集体努力正在加速对该解决方案的吸引力。

与 1990 年代的微机电系统 （MEMS） 革命一样，如今的激光雷达正变得越来越小、更便宜、更通用。激光雷达和MEMS都花了很长时间才充分发挥其对其他系统和子系统的潜力。MEMS虽然在1950年代开发，但由于其成本、尺寸、功率需求和性能，从来都不是集成到许多系统中的实用选择。直到1990年代的工艺技术成熟到足以满足需求，MEMS才能够扩散到以前从未梦想过的应用。同样，激光雷达（1960年代初开发）现在才准备好满足类似的需求。

目前正在发生变化的是设计和制造高性能激光雷达系统的各种因素的汇合。这些额外的因素帮助激光雷达满足了其固有的限制，例如降低成本、解决尺寸和功耗问题以及提高整体性能。由于这些因素帮助激光雷达技术提高了性能，同时降低了开发成本，因此开始探索激光雷达应用的其他领域是有意义的。

图2.分别在13年的时间里实现了激光雷达和MEMS技术的飞跃发展。

激光雷达允许我们做什么我们以前没有做过的事情？

想象一下，当一个系统可以在更容易实现的价格点内扫描表面时，可以开发什么样的新技术。以下是激光雷达系统应用的一些最新创新：

娱乐

娱乐业的一个福音是能够以数字方式绘制复杂的布景或对象，从而在我们所知道的现实与软件生成的现实之间进行更无缝的交互。例如，在电影或视频游戏中，这允许人类演员将流畅的3D动作捕捉转录成一个虚构的宇宙，直到现在，这个宇宙依赖于带有传感器的昂贵套装（传达有限的运动信息）或自制动画（根据所需的细节，可能既慢又昂贵）。

地理调查

激光雷达在地理测量中的应用已经有一段时间了，但这些系统的范围和分辨率的增加使研究人员能够发现步行调查不可行的古代遗址。不断减小的尺寸和成本也使其对民用土地测量和工程更具吸引力，与传统的土地测量方法相比，在速度、准确性、灵活性和安全性方面具有优势。

结构与土木工程

在建造建筑物时，激光雷达可用于实时监控施工进度，将这些测量值与当前原理图进行比较，并允许更新这些原理图。还可以扫描现有结构，以更好地了解完整性随时间推移的演变，这将使我们能够更恰当地评估翻新或重建的需求。

运输

自动驾驶的灵丹妙药是增加低成本的激光雷达系统，以补充目前测量车辆周围环境的仪器套件。激光雷达信号允许自主系统测量雷达无法测量的详细表面特征（从而识别物体），并比传统视觉系统更好地穿透天气障碍物。

安全

用激光雷达系统装备传统上简单的“我面前有东西吗？”传感器，可以知道在安全情况下如何以及何时做出响应。当类似人的物体进入其路径而不是它设计用来处理的物体时，处理重物的机械臂将能够更敏锐地做出反应。

农业

多年来，人们一直使用简单的传感器来检测筒仓中的谷物水平、作物状态、燃料水平等。这些方法通常无法捕捉到更深层次的背景，例如谷物倒入筒仓时形成的土堆形状及其测量位置（最高、最低、平均或任意点）如何影响存储的利用效率。目前，使用传统方法捕获此信息的唯一方法是使用多个传感器，这本身具有分辨率限制，同时增加了制造成本。能够随着时间的推移以精细的细节捕获整个作物的生长情况，可以提供重要的数据，并可以实时和为未来的作物提供栽培实践信息。激光雷达还可以帮助优化自动化机械在作物收割中的运动。

自动化

精确了解物理结构为机器人技术增加了巨大的价值，机器人可以更准确、更适当地处理各种尺寸和几何形状的物体。这可以外推到涉及重复处理或分拣的任何制造或仓库环境。拥有这些额外的信息还可以放宽制造中不必要的严格公差，从而节省生产和质量控制成本。

前面讨论的应用程序是目前正在开发或已经开发的应用程序。与人类努力一样，不可能知道人们会想出哪些其他创造性和有用的方法来使用激光雷达等技术。

审核编辑：郭婷