激光雷達，英文全稱為Light Detection And Ranging，簡稱LiDAR，即光探測與測量
，是一種集激光
、全球定位係統（GPS）和IMU（Inertial Measurement Unit，慣性測量裝置）三種技術於一身的係統，用於獲得數據並生成精確的DEM（數字高程模型）。這三種技術的結合，可以高度準確地定位激光束打在物體上的光斑，測距精度可達厘米級
，激光雷達最大的優勢就是“精準”和“快速
、高效作業”。它是一種用於精確獲得三維位置信息的傳感器
，其在機器中的作用相當於人類的眼睛
，能夠確定物體的位置
、大小、外部形貌甚至材質。

 

LiDAR通過測量激光信號的時間差
、相位差確定距離，通過水平旋轉掃描或相控掃描測角度，並根據這兩個數據建立二維的極坐標係;再通過獲取不同俯仰角度的信號獲得第三維的高度信息。

 

高頻激光可在一秒內獲取大量(106-107數量級)的位置點信息(稱為點雲)
，並根據這些信息進行三維建模。除了獲得位置信息外，它還可通過激光信號的反射率初步區分不同材質。

 

 

Lidardazhifenweijizaihedimianliangdaleiyingyong，qizhongjizaijiguangleidashiyizhonganzhuangzaifeijishangdejizaijiguangtancehecejuxitong，keyiliangcedimianwutidesanweizuobiao。zaozaishangshijiqishiniandai
，youmeiguohangtianjuyanfa，LIDAR測繪技術空載激光掃瞄技術開始了發展
，並且速度飛快，約在1995年開始商業化。

 

除了軍事領域的應用，激光雷達也迅速向民用市場擴展。其中
，無人駕駛可以說是最熱門的一個應用。

 

 

將Lidar應用於自動駕駛，要追溯到美國的DARPA （美國國防高等研究計劃署）
，它每年都會舉辦無人駕駛汽車挑戰賽
，在2007年的DARPA挑戰賽上，7支參賽隊伍中的6支都采用了Velodyne公司設計的Lidar，最(zui)終(zhong)的(de)第(di)一(yi)二(er)名(ming)就(jiu)出(chu)自(zi)這(zhe)六(liu)隻(zhi)參(can)賽(sai)隊(dui)。這(zhe)引(yin)起(qi)了(le)準(zhun)備(bei)研(yan)發(fa)無(wu)人(ren)駕(jia)駛(shi)車(che)的(de)穀(gu)歌(ge)的(de)注(zhu)意(yi)，之(zhi)後(hou)穀(gu)歌(ge)組(zu)建(jian)了(le)隊(dui)伍(wu)，據(ju)稱(cheng)
，最(zui)初(chu)的(de)人(ren)員(yuan)就(jiu)來(lai)自(zi)這(zhe)些(xie)參(can)賽(sai)隊(dui)員(yuan)。穀(gu)歌(ge)於(yu)2009年推出無人駕駛汽車項目，在其無人車原型中使用的就是Velodyne公司的Lida。

 

 

近幾年，無人駕駛汽車市場發展火熱
，穀歌之後

，百度、Uber等主流無人駕駛汽車研發團隊都在使用激光雷達作為傳感器之一，與圖像識別等技術搭配使用

，使汽車實現對路況的判斷。

 

傳統的汽車廠商也紛紛開始研發無人駕駛汽車，包括大眾、日產、豐田等公司都在研發和測試無人駕駛汽車技術，他們也都采用了激光雷達。

 

 

 

Lidar係統測量3D空間中每個像素到發射器間的距離和方向，通過傳感器創造出真實世界完整的3D模型。操作Lidar係統的基本方法是發射一束激光，然後測量光在物體表麵反射而返回來的信號。Lidar模塊接收到反射回來的信號所需的時間提供了一種直接測量Lidar係(xi)統(tong)與(yu)物(wu)體(ti)之(zhi)間(jian)的(de)距(ju)離(li)的(de)手(shou)段(duan)。關(guan)於(yu)物(wu)體(ti)的(de)額(e)外(wai)的(de)信(xin)息(xi)，比(bi)如(ru)它(ta)的(de)速(su)率(lv)或(huo)材(cai)料(liao)成(cheng)分(fen)，也(ye)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)測(ce)量(liang)反(fan)射(she)回(hui)來(lai)的(de)信(xin)號(hao)中(zhong)的(de)某(mou)些(xie)特(te)性(xing)而(er)得(de)以(yi)確(que)定(ding)

，這(zhe)些(xie)特(te)性(xing)包(bao)括(kuo)誘(you)導(dao)多(duo)普(pu)勒(le)頻(pin)移(yi)（induced Doppler shift）。最後，通過操控發射出去的光，可以測量出環境中許多不同的點，從而創建出完整的3D模型。

 

 

激光雷達（LiDAR）類似於雷達（radar），但是分辨率更高，因為光的波長大約比無線電的波長小10萬倍。它可以區分真實移動中的行人和人物海報
、在三維立體的空間中建模、檢測靜態物體、精確測距。

 

Lidar是通過發射激光束來探測目標位置

、速度等特征量的雷達係統，具有測量精度高

、方向性好等優點，具體如下：

 

 

激光雷達工作於光學波段，頻率比微波高2～3個數量級以上，因此，與微波雷達相比，激光雷達具有極高的距離分辨率、角分辨率和速度分辨率；

 

 

激光波長短，可發射發散角非常小（μrad量級）的激光束
，多路徑效應小（不會形成定向發射
，與微波或者毫米波產生多路徑效應）
，可探測低空/超低空目標
；

 

 

可直接獲取目標的距離、角度、反射強度
、速度等信息
，生成目標多維度圖像；

 

 

jiguangzhudongtance，buyilaiyuwaijieguangzhaotiaojianhuomubiaobenshendefushetexing。tazhixufashezijidejiguangshu，tongguotancefashejiguangshudehuiboxinhaolaihuoqumubiaoxinxi。

 

但是激光雷達最大的缺點——容易受到大氣條件以及工作環境的煙塵的影響

，要實現全天候的工作環境是非常困難的事情。

 

 

與雷達原理相似，激光雷達使用的技術是飛行時間（TOF， Time of Flight）。具ju體ti而er言yan
，就jiu是shi根gen據ju激ji光guang遇yu到dao障zhang礙ai物wu後hou的de折zhe返fan時shi間jian，計ji算suan目mu標biao與yu自zi己ji的de相xiang對dui距ju離li。激ji光guang光guang束shu可ke以yi準zhun確que測ce量liang視shi場chang中zhong物wu體ti輪lun廓kuo邊bian沿yan與yu設she備bei間jian的de相xiang對dui距ju離li
，這zhe些xie輪lun廓kuo信xin息xi組zu成cheng所suo謂wei的de點dian雲yun並bing繪hui製zhi出chu3D環境地圖
，精度可達到厘米級別
，從而提高測量精度。

 

 

想象一下，當發出光脈衝時啟動秒表，然後當光脈衝（從遇到的第一個物體反射出來）返回時停止計時器。通過測量激光的“飛行時間”，並且知道脈衝行進的速度，就可以計算距離。光以每秒30萬千米的速度傳播，因此需要非常高精度的設備來產生關於距離的數據。

 

為了產生完整的點雲
，傳感器必須能夠非常快速地對整個環境進行采樣。激光雷達能夠做到這一點的一種方式是通過在單個發射器/接收器上使用非常高的采樣率。 每個發射器每秒發射數萬或數十萬個激光脈衝。這意味著
，多達100000個激光脈衝在1秒內完成從激光器單元上的發射器到被測量的物體的往返行程
，並返回到激光雷達單元上位於發射器附近的接收器。

 

然而，固定線不足以映射整個環境——它隻是在非常集中的區域給出非常清晰的分辨率。因此，許多激光雷達係統使用旋轉組件或旋轉鏡來使線圍繞環境進行360度掃描。常見的策略包括使單個發射器和接收器向上或下偏轉使激光器視野覆蓋範圍更大。 例如，Velodyne的64線激光雷達係統具有26.8度的垂直視角（通過旋轉使其擁有360的度水平視角）。這個激光雷達可以從50米開外看到一個12米高的物體的頂部。

 

下xia圖tu中zhong可ke以yi看kan到dao，距ju離li激ji光guang雷lei達da的de遠yuan近jin不bu同tong，點dian雲yun的de疏shu密mi程cheng度du也ye不bu相xiang同tong，這zhe是shi由you於yu數shu據ju保bao真zhen度du隨sui著zhe距ju離li而er下xia降jiang。雖sui然ran它ta不bu是shi完wan美mei的de，但dan是shi較jiao高gao分fen辨bian率lv可ke用yong於yu較jiao近jin的de物wu體ti
，因yin為wei隨sui著zhe到dao傳chuan感gan器qi的de距ju離li增zeng加jia，發fa射she器qi之zhi間jian的de角jiao度du（例如
，2度）會導致這些點帶之間的間隔更大。

 

 

在ADAS係統中，激光雷達通過透鏡、激光發射及接收裝置，基於TOF飛行時間原理獲得目標物體位置
、移動速度等特征數據並將其傳輸給數據處理器；同時


，汽車的速度

、加速度

、方向等特征數據也將通過CAN總線傳輸到數據處理器；數shu據ju處chu理li器qi對dui目mu標biao物wu體ti及ji汽qi車che本ben身shen的de信xin息xi數shu據ju進jin行xing綜zong合he處chu理li並bing根gen據ju處chu理li結jie果guo發fa出chu相xiang應ying的de被bei動dong警jing告gao指zhi令ling或huo主zhu動dong控kong製zhi指zhi令ling
，以yi此ci實shi現xian輔fu助zhu駕jia駛shi功gong能neng。

 

 

下圖展現的是穀歌無人駕駛公司Waymo在汽車上使用的激光雷達的布局：

 

 

 

jiguangleidaanyouwujixiexuanzhuanbujianfenlei，baokuojixiejiguangleidahegutaijiguangleida。jixiejiguangleidadaiyoukongzhijiguangfashejiaodudexuanzhuanbujian
，ergutaijiguangleidazeyikaodianzibujianlaikongzhijiguangfashejiaodu

，wuxujixiexuanzhuanbujian。

 

 

機械激光雷達由光電二極管
、MEMS反射鏡、激光發射接受裝置等組成
，其中機械旋轉部件是指圖中可360°控製激光發射角度的MEMS發射鏡。

 

 

固態激光雷達與機械雷達不同
，它通過光學相控陣列（Optical Phased Array）
、光子集成電路（Photonic IC）以及遠場輻射方向圖（Far Field Radiation Pattern）等電子部件代替機械旋轉部件實現發射激光角度的調整。

 

光guang學xue相xiang控kong陣zhen和he微wei波bo相xiang控kong陣zhen是shi一yi個ge原yuan理li
，利li用yong的de是shi光guang的de相xiang幹gan幹gan涉she，出chu現xian了le相xiang位wei差cha
，也ye就jiu出chu現xian了le幹gan涉she峰feng。所suo以yi如ru何he讓rang通tong過guo器qi件jian後hou光guang產chan生sheng相xiang位wei差cha是shi研yan究jiu的de重zhong點dian，這zhe就jiu需xu要yao找zhao到dao合he適shi的de材cai料liao和he激ji發fa方fang法fa。現xian在zai的de激ji發fa方fang法fa主zhu要yao是shi電dian光guang掃sao描miao，也ye就jiu是shi通tong過guo加jia電dian使shi材cai料liao產chan生sheng相xiang位wei差cha。現xian在zai兩liang種zhong比bi較jiao熱re
，一yi個ge是shi光guang波bo導dao陣zhen列lie

，一yi個ge是shiMEMS器件的，MEMS器件這個優點是掃描的速度快，但是感覺不是那麼必要，因為瓶頸還是在掃描角度這兒，所以現在MEMS原理的商業產品還沒有看到。

 

光(guang)波(bo)導(dao)陣(zhen)列(lie)通(tong)過(guo)加(jia)電(dian)方(fang)式(shi)來(lai)實(shi)現(xian)光(guang)束(shu)掃(sao)描(miao)
，利(li)用(yong)光(guang)波(bo)導(dao)電(dian)光(guang)效(xiao)應(ying)
，對(dui)波(bo)導(dao)芯(xin)層(ceng)加(jia)載(zai)電(dian)壓(ya)，使(shi)每(mei)個(ge)波(bo)導(dao)芯(xin)層(ceng)具(ju)有(you)不(bu)同(tong)的(de)附(fu)加(jia)折(zhe)射(she)率(lv)，波(bo)束(shu)得(de)以(yi)在(zai)波(bo)導(dao)陣(zhen)元(yuan)輸(shu)出(chu)截(jie)麵(mian)光(guang)場(chang)具(ju)有(you)不(bu)同(tong)的(de)附(fu)加(jia)相(xiang)位(wei)差(cha)
，相(xiang)位(wei)差(cha)按(an)一(yi)定(ding)規(gui)律(lv)分(fen)布(bu)可(ke)引(yin)起(qi)輸(shu)出(chu)光(guang)速(su)的(de)偏(pian)轉(zhuan)。通(tong)過(guo)相(xiang)位(wei)差(cha)按(an)照(zhao)一(yi)定(ding)規(gui)律(lv)分(fen)布(bu)輸(shu)出(chu)，從(cong)而(er)實(shi)現(xian)光(guang)束(shu)的(de)掃(sao)描(miao)。

 

固態激光雷達優勢：響應速度快，控製電壓低，掃描角度大，價格低。

 

由於內部結構有所差別，兩種激光雷達的體積大小也不盡相同。機械激光雷達體積較大、價格昂貴、測量精度相對較高，一般置於汽車外部。固態激光雷達尺寸較小、性價比較高、測量精度相對低一些
，但可隱藏於汽車車體內，不會破壞外形美觀。

 

 

根據線束數量的多少
，激光雷達又可分為單線束激光雷達與多線束激光雷達。

 

顧名思義，單線束激光雷達掃描一次隻產生一條掃描線， 其所獲得的數據為2D數據，因此無法區別有關目標物體的3D信息。不過， 由於單線束激光雷達具有測量速度快、數據處理量少等特點， 多被應用於安全防護、地形測繪等領域。

 

傳統的激光雷達掃描視場非常小
，如果想360度的觀察周圍，怎麼辦？最自然的辦法就是多搞幾束激光
，線數越多覆蓋的角度越大。

 

 

多線束激光雷達掃描一次可產生多條掃描線

，目前市場上多線束產品包括4線束
、8線束、16線束、32線束
、64線束等，其細分可分為2.5D激光雷達及3D激光雷達。2.5D激光雷達與3D激光雷達最大的區別在於激光雷達垂直視野的範圍，前者垂直視野範圍一般不超過10°，而後者可達到30°甚至40°以上
，這也就導致兩者對於激光雷達在汽車上的安裝位置要求有所不同。

 

 

測量距離、測量精度、測量速率


、角度分辨率是決定三維激光雷達性能的幾個重要指標。

 

 

例(li)如(ru)，在(zai)無(wu)人(ren)駕(jia)駛(shi)汽(qi)車(che)這(zhe)個(ge)應(ying)用(yong)領(ling)域(yu)，對(dui)激(ji)光(guang)雷(lei)達(da)的(de)探(tan)測(ce)距(ju)離(li)是(shi)有(you)要(yao)求(qiu)的(de)。比(bi)如(ru)說(shuo)高(gao)速(su)公(gong)路(lu)上(shang)要(yao)能(neng)夠(gou)檢(jian)測(ce)到(dao)前(qian)方(fang)車(che)輛(liang)，還(hai)有(you)在(zai)十(shi)字(zi)路(lu)口(kou)上(shang)，要(yao)能(neng)夠(gou)觀(guan)測(ce)馬(ma)路(lu)對(dui)麵(mian)的(de)汽(qi)車(che)。

 

有趣的是，精度不是越高越好。激光雷達獲取的的數據可以進行障礙物識別


、動態物體檢測及定位，如果精度太差就無法達到以上目的；但是
，精度太好也有問題
，高精度對激光雷達的硬件提出很大的要求，計算量會非常大，成本也會非常高。所以精度應該是適中就好。

 

haiyouyidianbunenghushideshijiaofenbianlv
，jiaofenbianlvjuedingdachuquhoudelianggejiguangdianzhijiandejuli。dandiancejujingdudadaohou
，ruguodadaowutibiaomianliangdianjianjuli（點位）太遠
，測距精度也就失去意義了。

 

 

激光雷達在智能機器生態係統中有很多機遇。與使用二維圖像相比，點雲能夠更容易的被計算機使用，用於構建物理環境的三維形象——二維圖像是人腦最容易理解的數據，而對於計算機來說
，點雲是最容易理解的。

 

二維激光雷達掃描器可在戶外使用
，並專為移動、低功耗應用而設計。它隻用了競爭對手近四分之一的成本，這將給這類傳感器帶來全新的應用（我們在很多其他類型的傳感器中已經看到過這樣的現象）。 二維激光雷達也可以被搭載到另一個旋轉的元件上以產生環境中完整的三維點雲。

 

 

其他公司正在尋求降低係統成本的其他策略
，例如Quanergy的固態激光雷達。該係統大體與上文已介紹的係統相同，然而，與使用旋轉光學器件來移動光束不同的是

，它們使用 “相控陣列光學係統”來引導激光脈衝的方向
，它可以在某一方向上釋放一個激光脈衝，而讓下一個脈衝（1微秒之後）瞄準視野中的其它地方。

 

它能夠實時關注視野範圍內看似移動的物體
，這是對人類駕駛員的模仿——後者能及時注意到即將進入汽車所行駛的道路的障礙物。Quanergy係統被設計為能在沒有機械移動的情況下做到這一點，並且每秒采樣大約100萬個數據點——這與64線旋轉激光雷達的速度相當，卻能顯著降低成本。它另一個優勢是更容易被集成在反光鏡和保險杠等其他汽車部件上。

 

另外，更大和功率更高的係統也正在開發中
，它可以從在3萬(wan)英(ying)尺(chi)高(gao)度(du)飛(fei)行(xing)的(de)飛(fei)機(ji)上(shang)對(dui)地(di)麵(mian)成(cheng)像(xiang)，其(qi)分(fen)辨(bian)率(lv)足(zu)以(yi)能(neng)夠(gou)看(kan)到(dao)地(di)麵(mian)上(shang)的(de)車(che)輛(liang)。雖(sui)然(ran)這(zhe)些(xie)係(xi)統(tong)的(de)市(shi)場(chang)需(xu)求(qiu)更(geng)小(xiao)，且(qie)成(cheng)本(ben)更(geng)高(gao)，但(dan)其(qi)發(fa)展(zhan)將(jiang)繼(ji)續(xu)降(jiang)低(di)傳(chuan)感(gan)器(qi)技(ji)術(shu)的(de)整(zheng)體(ti)成(cheng)本(ben)。

 

由(you)於(yu)激(ji)光(guang)雷(lei)達(da)基(ji)於(yu)對(dui)激(ji)光(guang)脈(mai)衝(chong)返(fan)回(hui)傳(chuan)感(gan)器(qi)所(suo)需(xu)時(shi)間(jian)的(de)測(ce)量(liang)，因(yin)此(ci)高(gao)反(fan)射(she)率(lv)的(de)表(biao)麵(mian)會(hui)帶(dai)來(lai)問(wen)題(ti)。大(da)多(duo)數(shu)材(cai)料(liao)從(cong)微(wei)觀(guan)水(shui)平(ping)上(shang)看(kan)表(biao)麵(mian)粗(cu)糙(cao)，並(bing)且(qie)向(xiang)所(suo)有(you)方(fang)向(xiang)散(san)射(she)光(guang)；這zhe類lei散san射she光guang的de一yi小xiao部bu分fen返fan回hui到dao傳chuan感gan器qi，並bing且qie足zu以yi產chan生sheng距ju離li數shu據ju。然ran而er，如ru果guo表biao麵mian反fan射she率lv非fei常chang高gao
，光guang就jiu會hui向xiang遠yuan離li傳chuan感gan器qi的de方fang向xiang散san射she，那na麼me這zhe一yi區qu域yu的de點dian雲yun就jiu會hui不bu完wan整zheng。

 

 

空(kong)氣(qi)中(zhong)的(de)環(huan)境(jing)也(ye)可(ke)以(yi)對(dui)激(ji)光(guang)雷(lei)達(da)讀(du)數(shu)造(zao)成(cheng)影(ying)響(xiang)。記(ji)錄(lu)顯(xian)示(shi)，大(da)霧(wu)和(he)大(da)雨(yu)會(hui)減(jian)弱(ruo)發(fa)射(she)的(de)激(ji)光(guang)脈(mai)衝(chong)而(er)對(dui)激(ji)光(guang)雷(lei)達(da)造(zao)成(cheng)影(ying)響(xiang)。為(wei)了(le)解(jie)決(jue)這(zhe)些(xie)問(wen)題(ti)，較(jiao)大(da)功(gong)率(lv)的(de)激(ji)光(guang)器(qi)投(tou)入(ru)使(shi)用(yong)
，但(dan)它(ta)對(dui)於(yu)較(jiao)小(xiao)的(de)
、移動或對功率敏感的應用來說並不是一個好的解決方案。

 

 

激ji光guang雷lei達da係xi統tong麵mian臨lin的de另ling一yi個ge挑tiao戰zhan是shi旋xuan轉zhuan時shi的de刷shua新xin率lv相xiang對dui較jiao慢man。係xi統tong的de刷shua新xin速su率lv受shou複fu雜za的de光guang學xue器qi件jian旋xuan轉zhuan速su度du的de限xian製zhi。激ji光guang雷lei達da係xi統tong最zui快kuai的de旋xuan轉zhuan速su率lv大da約yue是shi10Hz，這限製了數據流的刷新速率。當傳感器旋轉時
，以60英裏/小時行駛的汽車在1/10秒內行進8.8英尺
，因此傳感器對於在汽車駛過期間在這8.8英尺內發生的變化基本上是看不清的。更重要的是，激光雷達覆蓋的範圍（在完美條件下）為100-120米，這對於以60英裏/小時行駛的汽車來說僅相當於不到4.5秒的行駛時間。

 

 

也ye許xu對dui於yu激ji光guang雷lei達da來lai說shuo，高gao昂ang的de設she備bei成cheng本ben是shi它ta需xu要yao克ke服fu的de最zui大da挑tiao戰zhan。盡jin管guan自zi該gai技ji術shu得de到dao應ying用yong以yi來lai其qi成cheng本ben已yi大da幅fu降jiang低di，但dan仍reng然ran是shi它ta被bei大da範fan圍wei采cai用yong的de一yi個ge重zhong要yao障zhang礙ai。對dui於yu主zhu流liu汽qi車che工gong業ye來lai說shuo
，一yi個ge價jia值zhi2萬美元的傳感器將無法被市場接受。伊隆·馬斯克說：“我不認為它對於汽車的發展是有意義的，我認為它不是必須的。”

 

 

suiranwomenjiangjiguangleidashiweijisuanjishijiaodeyigezujian，dandianyunqueshiwanquanjiyujihechengxiande。xiangfan，renyanchulexingzhuangzhiwaihainengshibiewutideqitawulishuxing
，biruyansehewenli。xianzaidejiguangleidaxitongbunengqufenzhidaiheyanshizhijiandechabie，erzhebenyingshichuanganqilijieheshitubikaizhangaiwushikaolvdeyinsu。

 

 

jiguangleidafachuqudejiguangbenshenshimeiyoubianmade。suoyijieshouqizijibenshenshimeibanfashibiedaodizheshuguangxianshitagebifasheqifashechuqudehaishiganraoxinhao。heikegongjizhideshicaiqumonicheliang、行人的信號
，反饋給激光雷達造成周圍存在障礙物假象的攻擊手法。最終會導致汽車被強製減速或者刹車。

 

對激光雷達廠商而言，可以從兩個角度去抵禦黑客的攻擊：如ru提ti高gao激ji光guang發fa射she頻pin率lv，高gao速su激ji光guang發fa射she頻pin率lv在zai幾ji個ge微wei秒miao，黑hei客ke的de模mo擬ni信xin號hao就jiu很hen難nan選xuan擇ze什shen麼me時shi候hou去qu發fa射she幹gan擾rao信xin號hao為wei接jie收shou器qi接jie收shou。另ling外wai，通tong過guo算suan法fa做zuo一yi些xie錯cuo誤wu判pan斷duan，參can考kao之zhi前qian幾ji頻pin數shu據ju過guo濾lv掉diao幹gan擾rao數shu據ju。

 

 

激光雷達隻是用於給計算機提供物理環境數據的眾多傳感器之一
，但是生成的數據是計算機最容易理解的，並且它也將變得更便宜。Velodyne銷售和市場總監Wolfgang Juchmann稱，激光雷達的成本在過去7年裏下降了10倍。 得益於成本的降低，我們將不斷看到新的潛在應用領域。

 

本文轉載自傳感器技術。