無(wú)人駕駛汽車(chē)是1990年代最大的技術(shù)幻想之一（由諸如“ The Love Bug”和“ Demolition Man”等早期電影推動(dòng)），由于多種技術(shù)尤其是 LIDAR 。

什么是LiDAR？

LIDAR （代表光檢測(cè)和測(cè)距）是一種測(cè)距技術(shù)，它通過(guò)在目標(biāo)上發(fā)射光束來(lái)測(cè)量物體的距離，并使用反射光束的時(shí)間和波長(zhǎng)來(lái)估計(jì)距離，并且在某些應(yīng)用中（激光成像），創(chuàng)建對(duì)象的3D表示。

雖然激光背后的想法可以追溯到1930年EH Synge的工作，但直到1960年代初期，激光發(fā)明之后。它本質(zhì)上是將激光聚焦成像與使用飛行時(shí)間技術(shù)計(jì)算距離的能力相結(jié)合，它在氣象學(xué)（用于測(cè)量云）和空間中（在其中激光高度計(jì)用于繪制地圖）的最早應(yīng)用中得到了應(yīng)用。阿波羅15號(hào)任務(wù)期間的月球表面。從那時(shí)起，該技術(shù)得到了改進(jìn)，并已用于多種應(yīng)用中，包括：檢測(cè)地震活動(dòng)，海洋學(xué)，考古學(xué)和導(dǎo)航等。

LiDAR的工作原理

與RADAR（艦船和飛機(jī)使用的無(wú)線電波導(dǎo)航）和SONAR（水下的物體探測(cè)和使用聲音的導(dǎo)航，主要由潛艇使用）非常相似，它們都使用波的反射原理進(jìn)行物體探測(cè)和距離估計(jì)。但是，雖然RADAR是基于無(wú)線電波，而SONAR是基于聲音，但 LIDAR是基于光束（激光）。

LIDAR使用不同波長(zhǎng)的光，包括：紫外線，可見(jiàn)光或近紅外光來(lái)使物體成像，并因此能夠檢測(cè)到各種物質(zhì)成分，包括；非金屬，巖石，雨水，化合物，氣溶膠，云甚至單個(gè)分子。 LIDAR系統(tǒng)可以每秒發(fā)射多達(dá)1，000，000個(gè)光脈沖，并使用脈沖反射回掃描儀所花費(fèi)的時(shí)間來(lái)確定掃描儀周?chē)矬w和表面所處的距離。用于距離確定的技術(shù)稱為飛行時(shí)間，其等式如下所示。

Distance = （Speed of Light x Time of Flight） / 2

在大多數(shù)應(yīng)用中，除了遠(yuǎn)距離測(cè)量外，還創(chuàng)建了光束發(fā)射所在的環(huán)境/物體的3D地圖。這是通過(guò)在物體或環(huán)境上連續(xù)發(fā)射激光束來(lái)完成的。

重要的是，與在平面鏡中獲得的鏡面反射相反，在LIDAR系統(tǒng)中遇到的反射是后向散射反射，因?yàn)楣獠ㄍㄟ^(guò)其到達(dá)的方向擴(kuò)散回去。根據(jù)應(yīng)用，LIDAR系統(tǒng)使用不同的反向散射變體，包括瑞利散射和拉曼散射，

LIDAR系統(tǒng)的組成部分

LIDAR系統(tǒng)通常由5個(gè)元素組成，無(wú)論由于應(yīng)用而引起的變化，都將預(yù)期存在。這些主要組件包括：

激光

掃描儀和光學(xué)系統(tǒng)

處理器

精確定時(shí)電子設(shè)備

慣性測(cè)量單元和GPS

1。激光

激光是光脈沖的能量來(lái)源。由于某些應(yīng)用的特定要求，激光雷達(dá)系統(tǒng)中部署的激光波長(zhǎng)因一種應(yīng)用而異。例如，機(jī)載LiDAR系統(tǒng)使用1064 nm二極管泵浦的YAG激光器，而測(cè)深系統(tǒng)使用532nm雙二極管泵浦的YAG激光器，其穿透水（最長(zhǎng)40米）時(shí)的衰減比機(jī)載1064nm版本要小得多。但是，不管使用哪種應(yīng)用，使用的激光器通常都是低能量的，以確保安全。

2。掃描儀和光學(xué)器件

掃描儀是任何激光雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分。他們負(fù)責(zé)將激光脈沖投射到表面并接收從表面反射回來(lái)的脈沖。 LIDAR系統(tǒng)顯影圖像的速度取決于掃描儀捕獲反向散射光束的速度。無(wú)論何種應(yīng)用，LIDAR系統(tǒng)中使用的光學(xué)器件都必須具有高精度和高質(zhì)量，才能獲得最佳效果，尤其是對(duì)于制圖而言。透鏡的類型，特定的玻璃選擇以及所使用的光學(xué)鍍膜是LIDAR分辨率和測(cè)距能力的主要決定因素。

根據(jù)應(yīng)用的不同，可以針對(duì)不同的應(yīng)用部署各種掃描方法決議。方位角和仰角掃描以及雙軸掃描是一些最流行的掃描方法。

3。處理器

高容量處理器通常是任何LIDAR系統(tǒng)的核心。它用于同步和協(xié)調(diào)LIDAR系統(tǒng)所有單個(gè)組件的活動(dòng)，以確保所有組件都在應(yīng)有的狀態(tài)下工作。處理器將來(lái)自掃描儀，計(jì)時(shí)器（如果未內(nèi)置在處理子系統(tǒng)中），GPS和IMU的數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，以生成LIDAR點(diǎn)數(shù)據(jù)。然后，根據(jù)應(yīng)用程序?qū)⑦@些高程點(diǎn)數(shù)據(jù)用于創(chuàng)建地圖。在無(wú)人駕駛汽車(chē)中，點(diǎn)數(shù)據(jù)用于提供環(huán)境的實(shí)時(shí)地圖，以幫助避障和一般導(dǎo)航的汽車(chē)。

光速約為0.3納秒/納秒，通常，由于成千上萬(wàn)的光束反射回掃描儀，所以通常要求處理器具有高速度和高處理能力。因此，計(jì)算元件處理能力的提高一直是激光雷達(dá)技術(shù)的主要驅(qū)動(dòng)力之一。

4。定時(shí)電子

精確的定時(shí)在LIDAR系統(tǒng)中至關(guān)重要，因?yàn)檎麄€(gè)操作都是按時(shí)進(jìn)行的。計(jì)時(shí)電子設(shè)備代表LIDAR子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)記錄激光脈沖離開(kāi)的確切時(shí)間以及激光脈沖返回到掃描儀的確切時(shí)間。

其精度和準(zhǔn)確性不能過(guò)分強(qiáng)調(diào)。由于散射的反射，發(fā)出的脈沖通常具有多個(gè)返回，每個(gè)返回都需要精確計(jì)時(shí)以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

5。慣性測(cè)量單元和GPS

將LiDAR傳感器安裝在衛(wèi)星，飛機(jī)或汽車(chē)等移動(dòng)平臺(tái)上時(shí)，有必要確定傳感器的絕對(duì)位置和方向以保持可用數(shù)據(jù)。這是通過(guò)使用慣性測(cè)量系統(tǒng)（IMU）和全球定位系統(tǒng)（GPS）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 IMU通常由加速度計(jì)，陀螺儀和磁力計(jì)組成，以測(cè)量速度，方向和重力，將它們組合在一起即可確定掃描儀相對(duì)于地面的角度方向（俯仰，橫滾和偏航）。另一方面，GPS提供了有關(guān)傳感器位置的準(zhǔn)確地理信息，因此可以直接對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行地理配準(zhǔn)。這兩個(gè)組件提供了將傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為靜態(tài)點(diǎn)以在各種系統(tǒng)中使用的方法。

使用GPS和IMU獲得的額外信息對(duì)于所獲取數(shù)據(jù)的完整性至關(guān)重要，并且有助于確?？梢哉_估計(jì)到表面的距離，尤其是在移動(dòng)LIDAR應(yīng)用程序中，例如在自動(dòng)駕駛汽車(chē)和基于飛機(jī)的想象系統(tǒng)中。

LiDAR的類型

雖然LIDAR系統(tǒng)可以基于多種因素進(jìn)行分類，但存在三種通用的LIDAR系統(tǒng)類型：

測(cè)距儀LIDAR

差分吸收LIDAR

多普勒LIDAR

1。測(cè)距儀激光雷達(dá)

這些是最簡(jiǎn)單的激光雷達(dá)系統(tǒng)。它們用于確定從LIDAR掃描儀到物體或表面的距離。通過(guò)使用“工作原理”部分所述的飛行時(shí)間原理，反射光束入射到掃描儀上所花費(fèi)的時(shí)間被用來(lái)確定激光雷達(dá)系統(tǒng)與物體之間的距離。

2。差分吸收LIDAR

差分吸收LIDAR系統(tǒng)（有時(shí)稱為DIAL）通常用于研究某些分子或材料的存在。 DIAL系統(tǒng)通常會(huì)發(fā)射兩種波長(zhǎng)的激光束，選擇的波長(zhǎng)應(yīng)使目標(biāo)分子吸收其中一個(gè)波長(zhǎng)，而另一個(gè)波長(zhǎng)則不會(huì)。光束之一的吸收導(dǎo)致由掃描儀接收的返回光束的強(qiáng)度的差異（差分吸收）。然后使用這種差異來(lái)推論所研究分子的存在水平。 DIAL已用于測(cè)量大氣中的化學(xué)濃度（例如臭氧，水蒸氣，污染物）。

3。多普勒激光雷達(dá)

多普勒激光雷達(dá)用于測(cè)量目標(biāo)的速度。當(dāng)從激光雷達(dá)發(fā)射的光束擊中朝向或遠(yuǎn)離激光雷達(dá)的目標(biāo)時(shí)，從目標(biāo)反射/散射的光的波長(zhǎng)將略有變化。這就是所謂的多普勒頻移-結(jié)果就是多普勒激光雷達(dá)。如果目標(biāo)遠(yuǎn)離LiDAR，則返回光將具有較長(zhǎng)的波長(zhǎng)（有時(shí)稱為紅移），如果朝LiDAR方向移動(dòng)，則返回光將具有較短的波長(zhǎng)（藍(lán)移）。

將LIDAR系統(tǒng)歸類為類型的其他一些分類包括：

平臺(tái)

反向散射的類型

基于平臺(tái)的LiDAR類型

使用平臺(tái)作為標(biāo)準(zhǔn)，LIDAR系統(tǒng)可以分為以下四種類型：

基于地面的激光雷達(dá)

機(jī)載激光雷達(dá)

星空激光雷達(dá)

運(yùn)動(dòng)激光雷達(dá)

這些激光雷達(dá)通常會(huì)選擇不同的結(jié)構(gòu)，材料，波長(zhǎng)，外觀和其他因素來(lái)適應(yīng)要在其部署環(huán)境中使用的因素。

基于反向散射類型的激光雷達(dá)

在描述激光雷達(dá)系統(tǒng)如何工作時(shí)，我提到LIDAR中的反射是通過(guò)反向散射。不同類型的反向散射出口及其有時(shí)用于描述激光雷達(dá)的類型。反向散射的類型包括；

Mie

Rayleigh

Raman

熒光

激光雷達(dá)的應(yīng)用

由于激光雷達(dá)的極高的準(zhǔn)確性和靈活性，激光雷達(dá)具有廣泛的應(yīng)用，特別是高分辨率地圖的制作。除了測(cè)量之外，LIDAR還被用于農(nóng)業(yè)，考古和機(jī)器人領(lǐng)域，因?yàn)樗壳笆亲詣?dòng)駕駛汽車(chē)競(jìng)賽的主要推動(dòng)力之一，它是大多數(shù)具有LIDAR系統(tǒng)功能的車(chē)輛中使用的主要傳感器。

LiDAR的其他應(yīng)用有100多種，并將在下面盡可能多地提及。

自動(dòng)駕駛汽車(chē)

3D成像

土地調(diào)查

電力線檢查

旅游與公園管理

森林保護(hù)環(huán)境評(píng)估

洪水建模

生態(tài)與土地分類

污染建模

油氣勘探

氣象學(xué)

海洋學(xué)

各種軍事應(yīng)用

細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

天文學(xué)

LiDAR局限性

LIDAR像其他所有技術(shù)一樣都有其缺點(diǎn)。在惡劣天氣下，LIDAR系統(tǒng)的范圍和準(zhǔn)確性會(huì)受到嚴(yán)重影響。例如，在有霧條件下，由于光束被霧反射，會(huì)產(chǎn)生大量的虛假信號(hào)。這通常會(huì)導(dǎo)致mie散射效應(yīng)，因此，大部分發(fā)射光束不會(huì)返回掃描儀。

除了天氣，激光雷達(dá)系統(tǒng)可能被愚弄（故意地或故意地）以認(rèn)為物體存在是通過(guò)閃爍“燈”。根據(jù)2015年發(fā)表的論文，對(duì)安裝在自動(dòng)駕駛汽車(chē)上的LIDAR系統(tǒng)閃爍簡(jiǎn)單的激光指示器可能會(huì)使汽車(chē)的導(dǎo)航系統(tǒng)迷失方向，給人的印象是存在物體的地方?jīng)]有。這種缺陷，特別是在無(wú)人駕駛汽車(chē)的激光應(yīng)用中，引發(fā)了很多安全隱患，因?yàn)榻佘?chē)者無(wú)需花很長(zhǎng)時(shí)間就可以完善用于攻擊的原理。這還可能導(dǎo)致汽車(chē)突然停車(chē)的事故 。 。 strong》

要結(jié)束本文，我們可能應(yīng)該研究一下LIDAR可能非常適合您的項(xiàng)目的原因以及您應(yīng)該避免使用LIDAR的原因。

優(yōu)勢(shì)

1。高速準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集

2。高穿透力

3。不受環(huán)境光強(qiáng)度的影響，可以在晚上或陽(yáng)光下使用。

4。與其他方法相比，高分辨率成像。

5。沒(méi)有幾何失真

6。輕松與其他數(shù)據(jù)采集方法集成。

7。 LIDAR具有最低的人為依存性，在某些人為錯(cuò)誤可能影響數(shù)據(jù)可靠性的應(yīng)用中非常有用。

缺點(diǎn)

1。激光雷達(dá)的成本使其在某些項(xiàng)目中顯得過(guò)高。最好將LIDAR描述為相對(duì)昂貴。

2。在大雨，大霧或大雪條件下，激光雷達(dá)系統(tǒng)的性能很差。

3。 LIDAR系統(tǒng)生成的大型數(shù)據(jù)集需要大量的計(jì)算資源來(lái)處理。

4。在湍流的水中應(yīng)用不可靠。

5。取決于所采用的波長(zhǎng)，由于某些種類的LIDAR中發(fā)射的脈沖在某些高度下無(wú)效，因此LIDAR系統(tǒng)的性能會(huì)受到一定的限制。

LIDAR對(duì)于業(yè)余愛(ài)好者和制造商

由于激光雷達(dá)的成本，市場(chǎng)上的大多數(shù)激光雷達(dá)系統(tǒng)（如Velodyne激光雷達(dá)）都用于工業(yè)應(yīng)用（將所有“非愛(ài)好者”應(yīng)用整合在一起） 。

目前最接近“業(yè)余級(jí)” LIDAR系統(tǒng)的是 iLidar 固態(tài)LiDAR。 Hybo設(shè)計(jì)的傳感器。這是一個(gè)小型LiDAR系統(tǒng)，能夠進(jìn)行3D映射（不旋轉(zhuǎn)傳感器），最大有效范圍為6米。該傳感器配備了一個(gè)USB端口以及一個(gè)UART/SPI/i2C端口，通過(guò)該端口可以在傳感器和微控制器之間建立通信。

iLidar旨在適應(yīng)所有人，并且與LiDAR相關(guān)的功能使其成為現(xiàn)實(shí)。對(duì)制造商具有吸引力。
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