當今，隨著科技水平的快速提升，激光雷達的技術得到了不斷的發(fā)展和升級。人工智能時代的到來，激光雷達也已被廣泛應用于自動駕駛、機器人、安防監(jiān)控、無人機、地圖測繪、物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等高新科技領域。激光雷達形式多樣，隨著器件水平和加工制造水平的更新，激光雷達技術指標和技術方式也在不斷升級。

激光雷達技術按不同的載體可分為星載、機載、車載及固定式激光雷達系統(tǒng)。其中星載及機載激光雷達系統(tǒng)結合衛(wèi)星定位、慣性導航、攝影及遙感技術，可進行大范圍數(shù)字地表模型數(shù)據(jù)的獲??；車載系統(tǒng)可用于道路，橋梁，隧道及大型建筑物表面三維數(shù)據(jù)的獲??；固定式激光雷達系統(tǒng)常用于小范圍區(qū)域精確掃描測量及三維模型數(shù)據(jù)的獲取。

總之，激光雷達技術的出現(xiàn)，為空間信息的獲取提供了全新的技術手段，使得空間信息獲取的自動化程度更高，效率更明顯。這一技術的發(fā)展也給傳統(tǒng)測量技術帶來革命性的挑戰(zhàn)。

激光雷達傳感技術的發(fā)展歷程

國外激光雷達技術的研發(fā)起步較早，早在20世紀60年代年代，人們就開始進行激光測距試驗；70年代美國的阿波羅登月計劃中就應用了激光測高技術；80年代，激光雷達技術得到了迅速發(fā)展，研制出了精度可靠的激光雷達測量傳感器，利用它可獲取星球表面高分辨率的地理信息。

到了21世紀，針對激光雷達技術的研究及科研成果層出不窮，極大地推動了激光雷達技術的發(fā)展，隨著掃描，攝影、衛(wèi)星定位及慣性導航系統(tǒng)的集成，利用不同的載體及多傳感器的融合，直接獲取星球表面三維點云數(shù)據(jù)，從而獲得數(shù)字表面模型DSM，數(shù)字高程模型DEM，數(shù)字正射影像DOM及數(shù)字線畫圖DLG等，實現(xiàn)了激光雷達三維影像數(shù)據(jù)獲得技術的突破。使得雷達技術得到了空前發(fā)展。

如今激光雷達技術已廣泛應用于社會發(fā)展及科學研究的各個領域，成為社會發(fā)展服務中不可或缺的高技術手段。

激光雷達傳感技術的定義與分類

一、激光雷達的定義

激光雷達（LiDAR）是一種用于精確獲得三維位置信息的傳感器，好比人類的眼睛，可以確定物體的位置、大小、外部形貌甚至材質。它是通過激光測距技術探測環(huán)境信息的主動傳感器的統(tǒng)稱。它利用激光束探測目標，獲得數(shù)據(jù)并生成精確的數(shù)字工程模型。

激光雷達由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng) 、信息處理三部分組成。激光雷達的工作原理是利用可見和近紅外光波（多為950nm波段附近的紅外光）發(fā)射、反射和接收來探測物體。

二、激光雷達的分類

根據(jù)結構，激光雷達分為機械式激光雷達、固態(tài)激光雷達和混合固態(tài)激光雷達。

1、機械式激光雷達

機械激光雷達，是指其發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)存在宏觀意義上的轉動，也就是通過不斷旋轉發(fā)射頭，將速度更快、發(fā)射更準的激光從“線”變成“面”，并在豎直方向上排布多束激光，形成多個面，達到動態(tài)掃描并動態(tài)接收信息的目的。

因為帶有機械旋轉機構，所以機械激光雷達外表上最大的特點就是自己會轉，個頭較大。

如今機械激光雷達技術相對成熟，但價格昂貴，暫時給主機廠量產(chǎn)的可能性較低；同時存在光路調試、裝配復雜，生產(chǎn)周期漫長，機械旋轉部件在行車環(huán)境下的可靠性不高，難以符合車規(guī)的嚴苛要求等不足。

2、混合固態(tài)激光雷達

機械式激光雷達在工作時發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)會一直360度地旋轉，而混合固態(tài)激光雷達工作時，單從外觀上是看不到旋轉的，巧妙之處是將機械旋轉部件做得更加小巧并深深地隱藏在外殼之中。

業(yè)內普遍認為，混合固態(tài)激光雷達指用半導體“微動”器件（如MEMS掃描鏡）來代替宏觀機械式掃描器，在微觀尺度上實現(xiàn)雷達發(fā)射端的激光掃描方式。MEMS掃描鏡是一種硅基半導體元器件，屬于固態(tài)電子元件；但是MEMS掃描鏡并不“安分”，內部集成了“可動”的微型鏡面；由此可見MEMS掃描鏡兼具“固態(tài)”和“運動”兩種屬性，故稱為“混合固態(tài)”。

對于激光雷達來說，MEMS最大的價值在于：原本為了機械式激光雷達實現(xiàn)掃描，必須使激光發(fā)射器轉動。而MEMS微機電系統(tǒng)可以直接在硅基芯片上集成體積十分精巧的微振鏡，由可以旋轉的微振鏡來反射激光器的光線，從而實現(xiàn)掃描。

這樣一來，激光雷達本身不用再大幅度地進行旋轉，可以有效降低整個系統(tǒng)在行車環(huán)境出現(xiàn)問題的幾率。另外，主要部件運用芯片工藝生產(chǎn)之后，量產(chǎn)能力也得以大幅度提高，有利于降低激光雷達的成本，可以從上千乃至上萬美元降低到數(shù)百美元。

3、固態(tài)激光雷達

相比于機械式激光雷達，固態(tài)激光雷達結構上最大的特點就是沒有了旋轉部件，個頭相對較小。

固態(tài)激光雷達的優(yōu)點包括了：數(shù)據(jù)采集速度快，分辨率高，對于溫度和振動的適應性強；通過波束控制，探測點（點云）可以任意分布，例如在高速公路主要掃描前方遠處，對于側面稀疏掃描但并不完全忽略，在十字路口加強側面掃描。而只能勻速旋轉的機械式激光雷達是無法執(zhí)行這種精細操作的。

從使用的技術上，固態(tài)激光雷達分為OPA固態(tài)激光雷達和Flash固態(tài)激光雷達。

（1）OPA固態(tài)激光雷達

OPA（optical phased array）光學相控陣技術。對軍事有所了解的讀者，應該會知道相控陣雷達，美海軍宙斯盾艦上那一塊蜂窩狀的“板子”就是它。

而光學相控陣使用的即是原理相同的技術。OPA運用相干原理（類似的是兩圈水波相互疊加后，有的方向會相互抵消，有的會相互增強），采用多個光源組成陣列，通過控制各光源發(fā)光時間差，合成具有特定方向的主光束。然后再加以控制，主光束便可以實現(xiàn)對不同方向的掃描。

相對于MEMS，這一技術的電子化更加徹底，它完全取消了機械結構，通過調節(jié)發(fā)射陣列中每個發(fā)射單元的相位差來改變激光的出射角度。

因為沒有任何機械結構，自然也沒有旋轉。所以相比傳統(tǒng)機械式雷達，OPA固態(tài)激光雷達有掃描速度快、精度高、可控性好、體積小等優(yōu)點。但也易形成旁瓣，影響光束作用距離和角分辨率，同時生產(chǎn)難度高。

（2）Flash固態(tài)激光雷達

Flash原本的意思為快閃。而Flash激光雷達的原理也是快閃，不像MEMS或OPA的方案會去進行掃描，而是短時間直接發(fā)射出一大片覆蓋探測區(qū)域的激光，再以高度靈敏的接收器，來完成對環(huán)境周圍圖像的繪制。

因此，F(xiàn)lash固態(tài)激光雷達屬于非掃描式雷達，發(fā)射面陣光，是以2維或3維圖像為重點輸出內容的激光雷達。某種意義上，它有些類似于黑夜中的照相機，光源由自己主動發(fā)出。

Flash固態(tài)雷達的一大優(yōu)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，比如探測距離較近。

這意味著Flash固態(tài)激光雷達沒有“遠視眼”，在實際使用中不適合遠程探測，而業(yè)內專家堅信，全自動駕駛汽車上搭載的激光雷達至少一眼就得看到200到300米外的物體。

其實Flash固態(tài)激光雷達的成本還是相對低，但基于3D Flash技術的固態(tài)激光雷達，在技術的可靠性方面還存在問題。

激光雷達傳感技術的工作原理

激光雷達的工作原理與雷達非常相近，以激光作為信號源，由激光器發(fā)射出的脈沖激光，打到地面的樹木，道路，橋梁和建筑物上引起散射，一部分光波會反射到激光雷達的接收器上，根據(jù)激光測距原理計算，就得到從激光雷達到目標點的距離。

脈沖激光不斷地掃描目標物，就可以得到目標物上全部目標點的數(shù)據(jù)，用此數(shù)據(jù)進行成像處理后，就可得到精確的三維立體圖像。也可以測量兩個或多個距離，并計算其變化率而求得速度，這是、也是直接探測型雷達的基本工作原理。

LiDAR系統(tǒng)一般包括；激光源或其它發(fā)射器，靈敏的光電探測器或其它接收器，同步和數(shù)據(jù)處理電子系統(tǒng)，運動控制設備或微機電系統(tǒng)（MEMS）掃描鏡（二選一）。均是基于精確的激光掃描組件并可用于創(chuàng)建3D地圖或收集近距離數(shù)據(jù)。

民用和商業(yè)應用中，保證用眼安全的激光器在高性能緊湊型LiDAR中越來越受歡迎。在用眼安全的波長范圍內，當在地形測繪和避障中探測固體時，通常需要約紅外激光器發(fā)射1.5 m的波長。

激光雷達傳感技術的特點

傳統(tǒng)的雷達是以微波和毫米波波段的電磁波為載波的雷達。激光雷達則是以激光作為載波，可以用振幅、頻率和相位來搭載信息作為載體。因此，激光雷達有以下優(yōu)于微波及毫米波的一些特點：

1、極高的分辨率

激光雷達工作于光學波段，頻率比微波高2～3個數(shù)量級以上，因此，與微波雷達相比，激光雷達具有很高的距離分辨率、角分辨率和速度分辨率；

2、高抗干擾能力

激光波長短，可發(fā)射發(fā)散角非常小的激光束，多路徑效應?。ú粫裎⒉ɑ蛘吆撩撞ㄒ粯赢a(chǎn)生多徑效應），可探測低空或超低空目標；

3、豐富的信息量

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；

4、不受光線影響

不受光線影響，激光掃描儀可全天候進行偵測任務。它只需發(fā)射自己的激光束，通過探測發(fā)射激光束的回波信號來獲取目標信息。

激光雷達傳感技術的應用領域

據(jù)調查，目前大部分企業(yè)都以無人車、機器人及無人車領域激光雷達為主要研究方向。而傳統(tǒng)機械式激光雷達已逐漸向固態(tài)激光雷達方向轉變。在價格方面，無人駕駛領域的激光雷達少則上萬，多則幾十萬元，普遍要高于機器人及 AGV 等領域價格。在未來，固態(tài)、小型、低成本激光雷達將是各企業(yè)的著重發(fā)力點。

隨著國際社會對激光雷達技術的深入研究，這一新興技術的優(yōu)越性越來越明顯，在各個行業(yè)均有其獨特的優(yōu)勢。下面將列舉幾個主要應用領域的領先技術。

一、自動駕駛領域

由于激光雷達與攝像頭具有出色的成像能力，一直以來被當作自動駕駛的核心傳感器。激光雷達相較于攝像頭的好處是它能得到準確的三維信息，而且自身是主動光源，能夠不受光照的影響，白天和晚上都能照常工作。

攝像頭識別的顆粒度比較高，能夠獲得豐富的紋理色彩，所以能夠實現(xiàn)精細化的識別，在這一點上激光雷達不如攝像頭。

攝像頭最大的缺點是受環(huán)境光的影響大，在強光照射、高亮反白物體、夜晚弱光環(huán)境等情景下，采集到的數(shù)據(jù)都難以通過算法進行有效可靠的環(huán)境感知。

激光雷達是通過激光主動探測成像的，不受環(huán)境光影響，直接測量物體的距離方位、深度信息、反射率等。算法首先對障礙物進行識別，然后再分類，識別準確度和可靠性遠超攝像頭，而消耗的計算資源低于攝像頭。

可以說，激光雷達在自動駕駛中的應用，最重要的部分就是高精度定位，先確定自身所在的位置，自動駕駛車輛才會面臨“要往哪里去”的問題。所以，確定“我在哪里”是第一步，也是非常關鍵的一步。按常規(guī)理解，定位應該只是GPS的任務，的確，自動駕駛的定位會用到GPS，但是GPS定位的精度不足，而且在遇到高樓林立或者進出隧道等情況下信號穩(wěn)定性差，因此難以保證自動駕駛車輛的安全。所以自動駕駛定位需要結合激光雷達、GPS、IMU等，以完成穩(wěn)定可靠的高精度定位。

激光雷達硬件配合針對自動駕駛研發(fā)的AI感知算法，可以完成對周圍障礙物進行識別，對路邊沿進行檢測，進行高精度定位等任務，還能夠實現(xiàn)分類標注，把障礙物分為卡車、小汽車、行人、自行車等。

二、安防領域

隨著國內安防領域的快速發(fā)展，安防系統(tǒng)越來越向集成化、多功能化、智能化方向發(fā)展，傳統(tǒng)的單一攝像頭模式已經(jīng)無法完全滿足安防環(huán)境越來越復雜化、多樣化、多功能化的要求。激光雷達的加入，為安防集成商和客戶提供了新的解決思路和新的功能補充。相比于傳統(tǒng)的安防監(jiān)控系統(tǒng)，基于激光雷達的安防方案在滿足客戶基礎的防護報警功能的同時，更能夠提升客戶的深層次需求，具有更大的優(yōu)勢。

近年來，激光雷達技術飛速發(fā)展，技術從簡單的激光測距技術，逐步發(fā)展出激光跟蹤、激光測速、激光掃描成像、激光多普勒成像等技術。其工作環(huán)境也從最開始的可見光區(qū)域（紅寶石激光器），發(fā)展到近紅外區(qū)（Nd：YAG激光器），再之后是紅外區(qū)域（CO2激光器），而現(xiàn)在很多激光雷達工作是在對人眼無害的近紅外區(qū)域（0．76～1．5μm）。由此涌現(xiàn)了許多不同用途的激光雷達，如精密跟蹤激光雷達、偵測激光雷達、水下激光雷達等，從而使激光雷達成為一類具有多種功能的系統(tǒng)。

三、智慧交通

隨著大城市人口的不斷增長，城市的交通也變得更加擁擠，這要求未來的交通更“智慧”。物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、人工智能的快速發(fā)展讓這些變成現(xiàn)實。信息技術、傳感技術、通信技術等多種技術在交通領域廣泛的應用。

激光雷達在很多地方都有用武之地，例如在毫米波雷達能精確地檢測車道級和毫秒級的數(shù)據(jù)，這種檢測是微觀的，同時也是實時和準確的，可以用于信號燈控制機即時感應控制、自適應控制和綠波帶控制，也是未來實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)車路協(xié)同的基礎。

四、機器人領域

隨著機器人深入人們的生活，例如工廠、倉庫、酒店、商場、餐廳等環(huán)境中的使用，人們對機器人的移動能力越為重視，市場對智能化設備的需求日益高漲。以至于避障成為一個極為關鍵且必要的功能。

避障是指移動機器人根據(jù)采集的障礙物的狀態(tài)信息，在行走過程中通過激光雷達傳感器感知到妨礙其通行的靜態(tài)和動態(tài)物體時，按照一定的方法進行有效地避障，最后達到目標點。

實現(xiàn)避障與導航的必要條件是環(huán)境感知，在未知或者是部分未知的環(huán)境下避障需要通過激光雷達傳感器獲取周圍環(huán)境信息，包括障礙物的尺寸、形狀和位置等信息，因此傳感器技術在移動機器人避障中起著十分重要的作用。

五、VR/AR領域

VR/AR也是最近幾年火起來的，市場前景可觀。VR一體機、智能眼鏡等產(chǎn)品已經(jīng)面市，AR眼鏡、AR頭顯的應用也是非常之廣。

在用到AR頭顯進行的游戲中，運用的空間感知定位技術里面會用到激光雷達和許多配套的光學傳感器，通過SLAM技術（即時定位與地圖構建），精準定位自己在三維空間中的位置，增強在游戲中的真實體驗感。

六、3D打印領域

近年來，3D打印備受關注，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。3D打印作為前沿性、先導性的智能制造技術，將引領傳統(tǒng)生產(chǎn)方式和生產(chǎn)工藝的變革，有望成為推動新一輪工業(yè)革命的源動力。

在3D打印里面，也有用到激光雷達的地方，如最近很火的Printoptical3D打印技術本質上是一種“從CAD設計到光學部件”的一站式技術，其打印出來的光學部件不需要進行像拋光、研磨和著色這樣的后處理。這種技術主要基于成熟的寬幅工業(yè)噴墨打印設備，通過紫外線固化的透明聚合物液滴噴射出來，然后被集成在打印頭上的強紫外線燈固化，最終可以形成各種各樣的幾何形狀，激光雷達在這里面扮演者測量、監(jiān)控等角色。

激光雷達傳感技術的前景展望

激光雷達技術的發(fā)展為獲取高時空分辨率的地球空間信息提供了全新的技術手段，使人們從傳統(tǒng)的單點數(shù)據(jù)獲取變?yōu)檫B續(xù)自動數(shù)據(jù)獲取，并能夠快速地獲取精確的高分辨率的數(shù)字地面模型以及地面物體的三維坐標，同時配合地物的影像，增強人們對地物的認識和識別能力，在社會建設的各個領域均具有廣闊的發(fā)展前景和應用需求。目前，越來越多的用戶對使用激光雷達技術產(chǎn)生了濃厚的興趣，顯示了這項技術的強大市場需求。

激光雷達技術，能夠在一定程度上解決城市建設、規(guī)劃、環(huán)保、虛擬顯示，軍事國防，電子娛樂、災害預防與控制等方面的數(shù)據(jù)需求。涉及測繪、國土、規(guī)劃、電力、交通等多個領域的產(chǎn)業(yè)部門的用戶。隨著激光雷達技術在我國的全面推廣以及相關技術的飛速發(fā)展，激光雷達技術難度將大大降低，會使越來越多的用戶在使用激光雷達技術中獲得所需的空間信息，從而創(chuàng)造更大的經(jīng)濟利益和社會效益。