然而，LiDAR比單純的測距更複雜。它還可用於三維製圖和成像——這使它在工程方麵非常有吸引力，也是一項非常有用的實用技術。

 

光和飛行時間

 

LiDAR有不同的測距方法，但最簡單易懂的是單脈衝直接飛行時間（dToF）係統。在這裏，一個光源（通常是激光）發出一個光脈衝，然後啟動一個計時器。當光脈衝擊中一個物體時，它被反射到通常與激光位於同一位置的傳感器，且計時器停止計時。知道發射脈衝到接收回波之間的時間（t），利用光速常數（c）計算出與目標物體的距離（D）就很簡單了。

 

圖1：直接飛行時間 (dTOF)測量光到達目標並返回所花的時間

 

另一種方法稱為間接飛行時間LiDAR（iToF），傳輸的是連續的正弦波，iToF根據發射和反射波形之間的相位差確定飛行時間（t）。

 

在這兩種方法中，iToF較常見。一般來說，它更適用於短距離應用，和能夠很好地控製環境光照水平的情況。而dToF可用於長距離和短距離應用。此外，它的運行速度較快，可測量多個回波，從而實現對多個物體的探測。

 

為了使LiDAR係統高效地工作，回波信號必須在係統工作的環境光內可探測到。顯然，這在室內是比較容易的，因為光線可以控製，但LiDAR的許多最令人興奮的應用是在室外

，因此有必要提供一個解決方案。

 

提高信噪比(SNR)

 

使用ASTM G-173-03太陽輻照度模型，可看出太陽噪聲（光）的峰值出現在波長500到600納米的範圍內，即可見光譜。光譜中近紅外（NIR）部分（約905 nm）的噪聲已降至一半
，這意味著這一波長的光更容易被探測到。

 

圖2：近紅外範圍能以高性價比的元器件提高信噪比

 

在短波紅外範圍（1550 nm左右）可達到更好的效果，但發射器和探測器更貴，因此近紅外範圍性價比最高。

 

直觀地看出，簡單地提高發射器的功率可解決信噪比問題
，並提高LiDAR係統的精度和範圍

，但發出的光可能對人類和動物有害。為此，BS EN 60825-1:2014等國際標準規定了可發射的功率。

 

由you於yu可ke用yong的de功gong率lv有you限xian
，為wei了le增zeng加jia有you效xiao範fan圍wei
，必bi須xu采cai用yong其qi他ta技ji術shu。使shi用yong多duo發fa射she脈mai衝chong激ji光guang可ke顯xian著zhu提ti高gao信xin噪zao比bi和he範fan圍wei
，同tong時shi保bao持chi每mei個ge脈mai衝chong內nei的de能neng量liang較jiao低di。在zai這zhe種zhong方fang法fa中zhong，發fa射she多duo個ge脈mai衝chong，並bing創chuang建jian探tan測ce到dao的de回hui波bo的de時shi間jian戳chuo直zhi方fang圖tu。

 

圖3：多脈衝dToF使目標從背景噪聲中清晰地分辨出來

 

生成的直方圖清晰地顯示了在隨機時間探測到的環境光子，並在直方圖峰值兩側形成“本底噪聲”，在直方圖峰值處，大部分回波以相同的時間間隔返回，代表目標物體。

 

LiDAR的演變

 

LiDAR技術不斷發展，最近，探測器技術以及用於創建3D地圖的方法都有了進步。

 

早期的探測器通常是PIN二極管或雪崩光電二極管。這些已被單光子雪崩二極管（SPAD）和矽光電倍增管（SiPM）所取代，它們將密集的SPAD傳感器陣列集成到單個器件中。與早期的方案相比，SPAD和SiPM傳感器提供了低工作電壓
、出色的一致性和非常高的增益
，還能探測到單光子的光能。

 

雖然測量遠程目標物體的距離的能力非常有用，但LiDAR的真正優勢在於它能夠創建詳細和高度精確的表麵3D地圖——無論是工廠環境中的物體

，還是在更大範圍內的一大片地。

 

通過將LiDAR原(yuan)理(li)與(yu)掃(sao)描(miao)光(guang)電(dian)係(xi)統(tong)結(jie)合(he)，可(ke)控(kong)製(zhi)光(guang)束(shu)以(yi)創(chuang)建(jian)場(chang)景(jing)的(de)密(mi)集(ji)深(shen)度(du)點(dian)雲(yun)。這(zhe)可(ke)通(tong)過(guo)物(wu)理(li)旋(xuan)轉(zhuan)激(ji)光(guang)發(fa)射(she)器(qi)以(yi)覆(fu)蓋(gai)場(chang)景(jing)的(de)所(suo)有(you)區(qu)域(yu)來(lai)機(ji)械(xie)地(di)實(shi)現(xian)，但(dan)這(zhe)種(zhong)方(fang)式(shi)一(yi)般(ban)體(ti)積(ji)大(da)，成(cheng)本(ben)高(gao)

，且(qie)在(zai)對(dui)準(zhun)方(fang)麵(mian)存(cun)在(zai)挑(tiao)戰(zhan)。

 

一種更現代的方法是使用準固態係統
，如微機電係統（MEMS）微鏡
、液晶超表麵（LCM）和光學相控陣（OPA）來引導光束穿過係統。該方案幾乎是固態的
，因此更可靠
，對於長距離應用也很有效。

 

唯一真正的固態LiDAR測繪方法是使用發射器和傳感器陣列（SiPM或SPAD）並對場景進行閃光。由於發射器的功率限製，閃光照明隻適用於短距離或窄視場(FoV)。可以使用多點閃光照明方法，即一個可尋址的發射器陣列(通常是可尋址的垂直腔麵發射激光器(VCSEL)陣列)依次照亮場景的不同部分，並與探測器的讀出同步。

 

LiDAR的應用

 

LiDAR是一項非常有價值的技術
；它適合的應用跨越了許多領域，包括汽車、工業
、交通
、農業和勘測。

 

感知車輛行駛路徑中物體的能力使得自適應巡航控製(ACC)等係統得以實現，與前車保持間距，LiDAR將成為未來全自動駕駛車輛的關鍵推動力。

 

LiDAR係統體積小、重量輕，可由無人機攜帶
，這開辟了一種比人工方法更快（因此成本更低）
、更精確的大麵積勘測方式。其應用幾乎是無限的
，包括監測環境影響，如海岸侵蝕、洪水或冰川消融。可迅速而安全地評估自然災害的影響

，如火山地震，從而更迅速而有效地提供援助。

 

農民可利用LiDAR勘測土地，評估農作物的狀況，而公路或鐵路等基礎設施項目則可輕鬆勘測擬建路線，並繪製進度圖。

 

靜態LiDAR可安裝在大型容器如料倉或儲罐中，無需接觸內容物就能準確地測量內容物。

 

傳感器和方案

 

安森美半導體的RB係列高響應
、快速SiPM具有很高的抗溫度波動性。有三種微單元尺寸（10 mm，20 mm或35 mm），每個器件的有源傳感麵積為1 mm x 1 mm。這些高增益（高達1.7 x 106）的器件采用小型（1.5 mm x 1.8 mm）封裝。

 

為了支持剛接觸LiDAR技術的公司或時間緊迫的項目，安森美半導體設計了一個用於工業應用的全麵的SiPM dToF LiDAR開發平台。

 

該即插即用的平台結合一個近紅外激光發射器和一個RB係列SiPM探測器，用於單點測距。

 

圖4：安森美半導體的SiPM dToF LiDAR平台的原理框圖

 

圖5：安森美半導體SiPM dToF LiDAR平台的高級框圖

 

激光發射器被指定使用1類激光，因而符合所有的眼睛安全標準
，同時使工作範圍擴展到23米。通過包含一個簡單易用的圖形用戶界麵(GUI)，平台的配置和監控變得簡單。

 

一旦開發和調試完成
，就可以無縫過渡到製造
，因為該成本優化的平台可隨時大規模部署
，且所有必要的製造文件都已準備就緒。

 

總結

 

LiDAR是種非常有用的技術
，它支持輕鬆地測距和創建精確而詳細的3D圖。即使功率和激光發射器功率受到安全限製
，但通過精心選擇波長和使用多射光脈衝，也可提高信噪比
，實現長距測量。

 

LiDAR技術的應用非常廣泛
，未來它將使我們更好地了解我們的世界，同時也使我們的世界更安全。

 

 

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