1 引言

激光雷達(dá)是一種可以精確、快速獲取目標(biāo)三維空間信息的主動(dòng)探測(cè)技術(shù)。三維成像激光雷達(dá)作為一種主動(dòng)成像系統(tǒng)，與被動(dòng)成像系統(tǒng)相比具有可獲得高精度距離信息以及不受光照條件限制的優(yōu)勢(shì)；與微波成像系統(tǒng)相比，具有角分辨力高、測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)以及系統(tǒng)易小型化的優(yōu)點(diǎn)；在目標(biāo)識(shí)別、分類和高精度三維成像及測(cè)量方面有著獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，因而被廣泛應(yīng)用于軍事、航空航天以及民用三維傳感等領(lǐng)域。

自上世紀(jì)六七十年代起，隨著激光技術(shù)和探測(cè)器件的發(fā)展，發(fā)達(dá)國(guó)家率先在激光雷達(dá)三維成像領(lǐng)域進(jìn)行了研究，各種距離測(cè)量技術(shù)和三維成像體制蓬勃發(fā)展。激光雷達(dá)三維成像系統(tǒng)按照成像體制可以分為掃描式成像系統(tǒng)和面陣成像系統(tǒng)兩種，按激光距離測(cè)量體制可以分為直接脈沖測(cè)距、相位式測(cè)距以及線性調(diào)頻測(cè)距等類型。不同體制的激光雷達(dá)三維成像系統(tǒng)具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，本文就這些成像體制的原理、特點(diǎn)以及國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)和梳理。

激光三維成像本質(zhì)上是通過(guò)測(cè)量光脈沖或調(diào)制信號(hào)往返于雷達(dá)和目標(biāo)之間的飛行時(shí)間來(lái)獲得距離信息（Z軸），同時(shí)通過(guò)掃描或者多點(diǎn)對(duì)應(yīng)測(cè)量獲得垂直于光束方向平面內(nèi)的方位信息（X、Y軸），因此，在對(duì)激光成像體制探討之前，有必要對(duì)激光測(cè)距的基本原理進(jìn)行了解。

2 測(cè)距原理

激光雷達(dá)要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)距離測(cè)量，必須確保能夠接收到足夠的回波信號(hào)，而計(jì)算激光回波信號(hào)的依據(jù)則是激光雷達(dá)方程，通用的激光雷達(dá)方程：

其中：PR是接收回波功率，PT是發(fā)射激光功率，Pb是背景輻射和噪聲功率；R是目標(biāo)與雷達(dá)之間距離，θT是發(fā)射天線視場(chǎng)角/光束發(fā)散角；ρ是目標(biāo)表面對(duì)激光的反射率，dA是目標(biāo)表面面元，Ω是目標(biāo)光散射立體角；D是接收天線孔徑/直徑，ηAtm是傳輸介質(zhì)的雙程透過(guò)率，ηSys是光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率。

其直觀物理意義：

為激光發(fā)射功率分?jǐn)傇诒还獍吒采w到的目標(biāo)表面積上的部分，∫ρdA為目標(biāo)將該部分照射功率向外散射的總散射功率，為目標(biāo)散射功率被雷達(dá)天線孔徑接收的部分；在這整個(gè)過(guò)程中還需要考慮光信號(hào)功率在雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)部和自由空間中傳播的損耗。由式（1）可見(jiàn)，在外部條件一定的情況下，激光發(fā)射功率越高，接收孔徑越大，背景噪聲抑制越好，系統(tǒng)的信噪比越高，這也是雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。

激光測(cè)距的方法有很多種，除了直接利用計(jì)時(shí)電路對(duì)激光脈沖的飛行時(shí)間進(jìn)行測(cè)量外，還可以通過(guò)對(duì)發(fā)射激光信號(hào)的幅值、頻率、相位等進(jìn)行調(diào)制，從而間接獲得目標(biāo)的距離。目前較為常用的激光測(cè)距技術(shù)大致可以分為直接脈沖飛行時(shí)間探測(cè)、幅度調(diào)制連續(xù)波探測(cè)以及頻率調(diào)制連續(xù)波探測(cè)三種。除直接探測(cè)技術(shù)外，相干探測(cè)也可用來(lái)進(jìn)行測(cè)距，但相干探測(cè)一般用于相對(duì)位移測(cè)量，在絕對(duì)距離測(cè)量上存在較多問(wèn)題，在三維成像中較少應(yīng)用，這里不對(duì)其展開(kāi)論述。

2.1 直接脈沖飛行時(shí)間探測(cè)

直接脈沖飛行時(shí)間探測(cè)顧名思義就是直接測(cè)量激光脈沖從發(fā)射到經(jīng)目標(biāo)散射后返回雷達(dá)的往返時(shí)間t，已知激光在大氣中的傳輸速度c，得到被測(cè)目標(biāo)的距離r=ct/2，如圖1所示。根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)選擇線性探測(cè)器或者單光子探測(cè)器，又可以將直接脈沖測(cè)距技術(shù)細(xì)分為線性探測(cè)和光子計(jì)數(shù)探測(cè)。

線性探測(cè)模式下，探測(cè)器的電脈沖響應(yīng)與入射光強(qiáng)呈線性關(guān)系，可以采用恒比定時(shí)、閾值鑒別法等高精度時(shí)間測(cè)量技術(shù)獲得激光脈沖的往返飛行時(shí)間。而在光子計(jì)數(shù)探測(cè)模式下，探測(cè)器工作在蓋革模式，具有單光子級(jí)靈敏度，一個(gè)信號(hào)光子即能觸發(fā)一次電脈沖響應(yīng)，但此時(shí)探測(cè)器只能響應(yīng)回波信號(hào)的有無(wú)，不能提供信號(hào)的強(qiáng)度信息。光子計(jì)數(shù)模式一般用于遠(yuǎn)距離探測(cè)，回波信號(hào)弱，光子數(shù)很少，此時(shí)探測(cè)器對(duì)回波信號(hào)的響應(yīng)可以認(rèn)為服從泊松分布，當(dāng)入射到探測(cè)器的信號(hào)和噪聲的總光電子數(shù)為m時(shí)，理論上產(chǎn)生k次光子事件的概率密度為

至少有一次光子事件發(fā)生即代表探測(cè)器響應(yīng)到回波信號(hào)，因此探測(cè)到信號(hào)或噪聲光子事件的概率為

對(duì)于線性探測(cè)器，其輸出的回波信號(hào)為隨時(shí)間變化的電壓值，經(jīng)過(guò)A/D采樣后，每一發(fā)激光脈沖都能獲得一個(gè)隨時(shí)間變化的回波波形，探測(cè)電路帶寬足夠高時(shí)能夠獲得目標(biāo)縱深剖面的回波強(qiáng)度輪廓，又稱為全波形探測(cè)，在信噪比足夠高時(shí)能夠獲得更為豐富的目標(biāo)信息。對(duì)于線性探測(cè)的激光雷達(dá)回波信號(hào)，我們關(guān)注的是回波功率與信噪比，為了獲得更遠(yuǎn)的探測(cè)距離系統(tǒng)應(yīng)提高發(fā)射脈沖的峰值功率，同時(shí)降低探測(cè)電路的噪聲。

圖1 激光雷達(dá)探測(cè)示意圖

與線性探測(cè)相比，光子計(jì)數(shù)探測(cè)更高的靈敏度使得其在遠(yuǎn)距離或者微弱信號(hào)探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。對(duì)于光子計(jì)數(shù)的激光雷達(dá)回波信號(hào)，我們關(guān)注的是回波光子數(shù)與噪聲計(jì)數(shù)，為了獲得更遠(yuǎn)的探測(cè)距離系統(tǒng)應(yīng)提高發(fā)射脈沖的單脈沖能量，同時(shí)抑制噪聲光子計(jì)數(shù)，而對(duì)于工作在白天的激光雷達(dá)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，噪聲光子中占主導(dǎo)地位的是日光背景噪聲計(jì)數(shù)，因此采用窄帶寬、高帶外抑制的光學(xué)濾波器件，同時(shí)盡量減小接收光學(xué)系統(tǒng)的接收視場(chǎng)角是光子計(jì)數(shù)探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

對(duì)于探測(cè)靈敏度極高的光子計(jì)數(shù)探測(cè)激光雷達(dá)，也稱為“單光子”探測(cè)激光雷達(dá)，這是指其接收靈敏度達(dá)到了能夠響應(yīng)單個(gè)光子能量的程度，但實(shí)際上，僅僅能夠響應(yīng)單個(gè)光子是不足以完成實(shí)際探測(cè)的，因?yàn)橄到y(tǒng)必然會(huì)存在噪聲，如探測(cè)器的暗計(jì)數(shù)、背景噪聲計(jì)數(shù)等，必須要把實(shí)際的回波光子計(jì)數(shù)與這些噪聲計(jì)數(shù)區(qū)分開(kāi)來(lái)才能實(shí)現(xiàn)探測(cè)，這可以通過(guò)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及信號(hào)處理算法的改進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

直接脈沖測(cè)量激光雷達(dá)發(fā)射的一般為納秒級(jí)脈寬的激光脈沖，優(yōu)點(diǎn)是作用距離遠(yuǎn)、探測(cè)時(shí)間短，理論上單發(fā)脈沖即可完成測(cè)距，尤其隨著光子計(jì)數(shù)探測(cè)器的發(fā)展與成熟，使得雷達(dá)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)上百公里甚至上千公里的測(cè)量；缺點(diǎn)主要是其測(cè)距精度相對(duì)較低（主要受限于發(fā)射激光脈沖寬度和探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間抖動(dòng)），一般可以達(dá)到厘米量級(jí)，不適合要求毫米甚至亞毫米量級(jí)的高精度測(cè)量領(lǐng)域。

2.2 幅度調(diào)制連續(xù)波探測(cè)

幅度調(diào)制連續(xù)波（Amplitude modulationcontinuouswave，AMCW）激光雷達(dá)一般又被稱為相位式激光雷達(dá)，與直接脈沖探測(cè)不同，其發(fā)射的是連續(xù)激光信號(hào)，并對(duì)激光發(fā)射信號(hào)的幅值進(jìn)行調(diào)制，通過(guò)檢測(cè)回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)之間的相位差來(lái)進(jìn)行測(cè)距。如圖2所示，當(dāng)正弦信號(hào)的調(diào)制頻率為f時(shí)，可以測(cè)到發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)的相位差為

因此，目標(biāo)的距離即為

由于鑒別的相位差只能在0~2π之間，超過(guò)2π的整周期將會(huì)帶來(lái)距離模糊的問(wèn)題。并且，當(dāng)測(cè)量電路的鑒相精度一定時(shí)，發(fā)射信號(hào)的調(diào)制頻率與雷達(dá)測(cè)距精度成正比，與探測(cè)的最大不模糊距離成反比。因此，雷達(dá)的探測(cè)距離與測(cè)距精度之間是相互矛盾的。為了解決這一問(wèn)題，相位式激光雷達(dá)通常采用多個(gè)調(diào)制頻率同時(shí)發(fā)射，通過(guò)較高的調(diào)制頻率提高測(cè)距精度，通過(guò)較低的調(diào)制頻率提高系統(tǒng)的最大不模糊距離，又稱為“多測(cè)尺”測(cè)量。

相比于直接脈沖測(cè)量技術(shù)，相位式測(cè)距精度較高，一般可達(dá)毫米量級(jí)，但由于其發(fā)射的是連續(xù)信號(hào)，平均功率遠(yuǎn)低于脈沖信號(hào)的峰值功率，這就限制了系統(tǒng)的探測(cè)距離。另外，由于其必須采集完整的周期信號(hào)，這就使系統(tǒng)的探測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)。

圖2 幅值調(diào)制相位測(cè)距原理

2.3 頻率調(diào)制連續(xù)波探測(cè)

頻率調(diào)制連續(xù)波（Frequency modulatedcontinuous wave，F(xiàn)MCW）探測(cè)是上世紀(jì)末發(fā)展的一種較新的測(cè)距體制［8-9］，它調(diào)制的是發(fā)射激光的光頻率（波長(zhǎng)），可以避免幅值調(diào)制帶來(lái)的發(fā)射功率損失。對(duì)于頻率調(diào)制激光雷達(dá)，由于回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)存在時(shí)間差t，將回波信號(hào)與本振信號(hào)進(jìn)行混頻后，通過(guò)平衡探測(cè)器就可以得到他們的差頻信號(hào)fif：

其中：r為目標(biāo)距離，B為調(diào)制帶寬，T為調(diào)制信號(hào)的周期。

當(dāng)對(duì)發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行對(duì)稱三角波線性調(diào)頻時(shí)，可以同時(shí)獲得被測(cè)物體的距離和速度信息。當(dāng)目標(biāo)或激光雷達(dá)平臺(tái)在波束往返時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，受多普勒效應(yīng)影響拍頻信號(hào)也會(huì)發(fā)生偏移。因此，通過(guò)提取“上啁啾”和“下啁啾”的拍頻頻率，可以確定目標(biāo)距離和速度。由式（6）可以得到目標(biāo)的距離：

式中：f if +為上變頻的差頻信號(hào)頻率，f if?為下變頻的差頻信號(hào)頻率。

同時(shí)能夠得到被測(cè)物體在雷達(dá)視線方向的相對(duì)速度：

式中：λ為發(fā)射激光的波長(zhǎng)，df為多普勒頻移。

相比于AMCW技術(shù)，F(xiàn)MCW技術(shù)沒(méi)有調(diào)制功率損失且測(cè)距精度更高，調(diào)制帶寬足夠高時(shí)其測(cè)距精度甚至能夠達(dá)到微米量級(jí)，其突出的優(yōu)點(diǎn)是能夠同時(shí)進(jìn)行目標(biāo)距離和多普勒徑向相對(duì)速度的測(cè)量。其缺點(diǎn)為調(diào)頻激光器較為昂貴，系統(tǒng)成本高，激光調(diào)制過(guò)程存在非線性效應(yīng)，校正過(guò)程加劇了系統(tǒng)復(fù)雜程度。另外，由于其調(diào)制的是光頻率對(duì)于高精度測(cè)距必須考慮傳輸介質(zhì)的色散影響，并進(jìn)行補(bǔ)償。

3 激光雷達(dá)三維成像

激光三維成像可以理解為是對(duì)每個(gè)二維像素點(diǎn)的激光測(cè)距，在單點(diǎn)激光測(cè)距的基礎(chǔ)上，對(duì)每個(gè)測(cè)距點(diǎn)的方位信息同步進(jìn)行測(cè)量，即可實(shí)現(xiàn)三維成像。而方位信息的獲取可以通過(guò)單點(diǎn)掃描和面陣器件成像兩種方式。

3.1 掃描式三維成像激光雷達(dá)

掃描式三維成像激光雷達(dá)由單點(diǎn)激光測(cè)距系統(tǒng)配以光束掃描裝置構(gòu)成，是目前發(fā)展相對(duì)成熟的三維成像激光雷達(dá)技術(shù)，在地形測(cè)繪、大氣環(huán)境檢測(cè)、導(dǎo)航和防撞、空間交會(huì)對(duì)接、汽車自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。掃描式激光雷達(dá)要求實(shí)現(xiàn)每個(gè)點(diǎn)的快速測(cè)距，因此大多采用直接脈沖探測(cè)的方式。

掃描裝置的作用是控制雷達(dá)光軸指向不同方向，依次測(cè)量目標(biāo)上各點(diǎn)的距離，同時(shí)記錄光束指向的方位-俯仰角，這樣就可以得到目標(biāo)的距離-角度-角度圖像（rang-angle-angle），又稱為三維圖像。需要注意的是，激光雷達(dá)系統(tǒng)一般同時(shí)存在兩個(gè)相互平行的光軸，即發(fā)射光軸和接收光軸，掃描裝置必須能夠同步對(duì)這兩個(gè)光軸進(jìn)行掃描，因此一般掃描式雷達(dá)多設(shè)計(jì)為發(fā)射-接收同軸，并且為了保證接收到足夠的回波功率，掃描鏡的光學(xué)有效孔徑不能過(guò)小，這在很大程度上限制了系統(tǒng)的掃描速度。為了提高系統(tǒng)的掃描速度，在單點(diǎn)掃描的基礎(chǔ)上，人們發(fā)展了線掃描、點(diǎn)陣掃描等方式。

目前，可用于激光雷達(dá)系統(tǒng)的掃描方式中較為成熟的是機(jī)械式掃描，主要有擺鏡掃描、萬(wàn)向節(jié)掃描、轉(zhuǎn)鏡掃描、雙光楔掃描等類型，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏡面轉(zhuǎn)動(dòng)，并利用幾何光學(xué)的原理實(shí)現(xiàn)光束的偏轉(zhuǎn)，具有大掃描視場(chǎng)和高掃描效率，是近些年最常見(jiàn)、應(yīng)用最廣泛也是最成熟的成像激光雷達(dá)掃描方式。

其中MEMS掃描是最新發(fā)展的一種掃描方式，其通過(guò)微型反射鏡的快速振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)光束掃描，掃描速度較傳統(tǒng)的機(jī)械掃描可以大幅提高，同時(shí)很好地克服了機(jī)械掃描系統(tǒng)體積大的缺點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化，因其掃描結(jié)構(gòu)“微觀”化，無(wú)可見(jiàn)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，所以也被稱為“混合固態(tài)”掃描方式，目前仍存在接收光路較為復(fù)雜，微振部件影響系統(tǒng)使用壽命的缺陷。

對(duì)于MEMS掃描方式，最大的問(wèn)題是，若采用收發(fā)同軸掃描的方式，則受微型反射鏡尺寸的限制，其接收光學(xué)口徑較小，探測(cè)距離受限；而若采用發(fā)射掃描、大視場(chǎng)接收的方式，則背景噪聲過(guò)強(qiáng)，同樣導(dǎo)致探測(cè)距離受限。

雙光楔掃描通過(guò)兩塊具有一定楔角的光學(xué)平板繞光軸轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)折射光束的空間偏轉(zhuǎn)，適用于較大口徑的激光雷達(dá)系統(tǒng)，一般用于遠(yuǎn)距離探測(cè)成像。另外，近年來(lái)光學(xué)相控陣技術(shù)（optical phase array，OPA）的發(fā)展為激光發(fā)射光束的快速掃描提供了一種新的手段，然而激光雷達(dá)除發(fā)射外還需對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行同步接收，目前技術(shù)上還有待成熟。掃描成像激光雷達(dá)從搭載平臺(tái)來(lái)看主要分為星載掃描成像激光雷達(dá)、機(jī)載掃描成像激光雷達(dá)、車載成像激光雷達(dá)等。

3.1.1 星載成像激光雷達(dá)

星載掃描成像激光雷達(dá)主要用于空間交會(huì)對(duì)接、飛行器的導(dǎo)航著陸以及星載對(duì)地三維成像等。2005年MDA Space Mission以及2013年中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所均提出使用二維掃描鏡作為掃描機(jī)構(gòu)，如圖3 所示，分別具有10°×10°、30°×30°、120°×120°的最大掃描視場(chǎng)角，并利用二維掃描鏡掃描角度可調(diào)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)空間自主捕獲、定位和追蹤合作目標(biāo)，激光雷達(dá)系統(tǒng)工作距離覆蓋范圍從十幾米到十幾千米。

2011 年歐洲航天局（The European Space Agency）提出使用萬(wàn)向節(jié)作為掃描機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了20°×20°的掃描角度，成像幀頻不小于1Hz，如圖4所示。機(jī)械掃描三維成像激光雷達(dá)因其體積小、質(zhì)量輕、功耗低、精度高、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于空間交會(huì)對(duì)接和飛行器導(dǎo)航著陸。

我國(guó)的空間交會(huì)激光雷達(dá)雖然起步較晚，但發(fā)展迅速，由中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所和中電科27所聯(lián)合研制的激光雷達(dá)已多次成功應(yīng)用于我國(guó)空間站和神舟系列飛船的交會(huì)對(duì)接，技術(shù)指標(biāo)已達(dá)國(guó)際領(lǐng)先水平。美國(guó)國(guó)家航天局（NASA）一直致力于發(fā)展地球觀測(cè)系統(tǒng)，測(cè)量冰蓋質(zhì)量平衡、冰蓋高度和海冰厚度，云和氣溶膠高度，以及陸地地形和植被特征等研制的ICESat和ICESat2星載激光雷達(dá)成像系統(tǒng)均已成功發(fā)射，完成既定任務(wù)。

ICESat在單像素測(cè)距的基礎(chǔ)上，利用衛(wèi)星平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地表的單點(diǎn)掃描成像。ICESat于2003年1月13日發(fā)射成功，采用線性探測(cè)體制，在軌工作7年后，于2010 年由于主要載荷失效最終導(dǎo)致任務(wù)終結(jié)，完成了對(duì)地球表面絕大部分地區(qū)的激光測(cè)繪工作。ICESat2同時(shí)發(fā)射三對(duì)六束激光，采用光子計(jì)數(shù)探測(cè)，每對(duì)間隔3.3km，沿軌光斑間隔70cm，測(cè)量地形高度變化小于4mm。

ICESat2已于2018年9月15日發(fā)射成功，預(yù)計(jì)在軌工作3年。為了實(shí)現(xiàn)更高的橫向測(cè)量精度，NASA正在研制LIST（LiDAR surface topography）雷達(dá)系統(tǒng)，其采用1000像元的光子計(jì)數(shù)探測(cè)器方案，將能夠?qū)崿F(xiàn)5m的橫向分辨率和分米級(jí)的測(cè)距精度。圖5為NASA星載激光雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)展路線圖。

圖3 （a）MDA Space Mission和Optech公司聯(lián)合設(shè)計(jì)的星載激光雷達(dá)；（b）中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所提出的星載激光雷達(dá)系統(tǒng)

圖4 歐洲航天局設(shè)計(jì)的星載激光雷達(dá)系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)更高的橫向測(cè)量精度，NASA正在研制LIST（LiDAR surface topography）雷達(dá)系統(tǒng)，其采用1000像元的光子計(jì)數(shù)探測(cè)器方案，將能夠?qū)崿F(xiàn)5 m 的橫向分辨率和分米級(jí)的測(cè)距精度。圖5為NASA星載激光雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)展路線圖。

星載激光雷達(dá)平臺(tái)運(yùn)行軌道較高，需要探測(cè)的距離較遠(yuǎn)（400 km左右），對(duì)系統(tǒng)的發(fā)射功率和接收口徑有較高的要求。同時(shí)，星載激光雷達(dá)受平臺(tái)載荷的限制，對(duì)系統(tǒng)的體積、功耗、質(zhì)量又有嚴(yán)格的約束，因此具有更高靈敏度的光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)逐漸成為其技術(shù)發(fā)展方向。而隨著對(duì)三維成像效率要求的提高，星載激光雷達(dá)系統(tǒng)逐漸從單點(diǎn)探測(cè)向著線陣推掃或面陣式成像發(fā)展，系統(tǒng)的橫向分辨率和測(cè)距精度不斷提高，系統(tǒng)的發(fā)展也越來(lái)越成熟。

3.1.2 機(jī)載成像激光雷達(dá)

機(jī)載掃描成像激光雷達(dá)主要應(yīng)用于地形測(cè)繪、電力巡線、水下探測(cè)、遮蔽目標(biāo)探測(cè)等領(lǐng)域。奧地利的Riegl、瑞士的Leica、加拿大的Optech和國(guó)內(nèi)的海達(dá)數(shù)云、北科天匯等公司，已經(jīng)有許多定型的商業(yè)化產(chǎn)品。以Riegl 公司為例，目前主要有VQ、LMS、VUX等系列的機(jī)載激光雷達(dá)，均使用反射式旋轉(zhuǎn)多面轉(zhuǎn)鏡作為掃描機(jī)構(gòu)、角分辨率均可達(dá)到0.001°、測(cè)距精度小于25mm，VQ 與LMS系列具有60°的掃描角度、VUX 系列掃描角度可達(dá)330°，如圖6所示。

1995年Fibertek公司研制出了用于直升機(jī)防撞的激光雷達(dá)系統(tǒng)（HLR），如圖7所示，以兩個(gè)雙楔形硅棱鏡組成二維掃描器，可以探測(cè)到440m外直徑1cm的電線。

圖5 NASA對(duì)地觀測(cè)激光雷達(dá)發(fā)展路線圖

圖6 Riegl公司VQ、LMS、VUX系列機(jī)載激光雷達(dá)

圖7 Fibertek公司研制的直升機(jī)防撞的激光雷達(dá)系統(tǒng)主要模塊示意圖

2003年MIT為了對(duì)隱藏在樹(shù)林下的坦克等目標(biāo)成像，提出利用衍射光學(xué)元件將光束分成32×32的陣列，采用32×32 GM-APD作為探測(cè)器，并采用異向旋轉(zhuǎn)的雙光楔作為掃描部件，提高圖像分辨率；最終通過(guò)150m的飛行試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)具有5cm橫向分辨率和40cm的距離分辨率，能夠精確識(shí)別偽裝的目標(biāo)。此外，2007年約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室也提出采用可調(diào)整的Optech ALTM3100商用激光雷達(dá)系統(tǒng)配以雙軸萬(wàn)向節(jié)掃描裝置，使用步進(jìn)凝視探測(cè)模式，識(shí)別測(cè)量樹(shù)木、叢林下的遮蔽目標(biāo)，如圖8所示。

NASA在機(jī)載掃描成像激光雷達(dá)領(lǐng)域也取得了豐碩的成果，2001年“Microaltimeter”首次完成了掃描單光子雷達(dá)（single photon LiDAR，SPL）的空中演示。此后，在此基礎(chǔ)上研發(fā)了滿足低、中、高空探測(cè)的“Leafcutter”、HRQLS（highresolution quantum LiDAR system）、HAL（high altitude LiDAR）等機(jī)載成像激光雷達(dá)系統(tǒng)。

機(jī)載掃描成像激光雷達(dá)系統(tǒng)是目前應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最成熟的激光雷達(dá)系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外的多家激光雷達(dá)公司都已經(jīng)推出成熟的機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)，在城市地形測(cè)繪、電力巡線、水下探測(cè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。根據(jù)機(jī)載平臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)，目前機(jī)載激光雷達(dá)的最大測(cè)距范圍一般為3km～6km，測(cè)距精度為厘米級(jí)，為實(shí)現(xiàn)快速掃描，其激光發(fā)射重頻較高，可達(dá)百kHz量級(jí)，其探測(cè)體制也在從成熟的線性探測(cè)向光子計(jì)數(shù)方向發(fā)展。

3.1.3 車載成像激光雷達(dá)

車載成像激光雷達(dá)的主要應(yīng)用方向即汽車自動(dòng)駕駛，其對(duì)探測(cè)范圍的要求相對(duì)較低（200m～300m），但探測(cè)視場(chǎng)需要覆蓋水平360°和垂直方向±20°左右，且對(duì)橫向分辨率要求較高。近年來(lái)無(wú)人駕駛汽車發(fā)展迅速，掃描成像激光雷達(dá)作為無(wú)人駕駛一種有效的解決方案，吸引著世界各國(guó)都在積極開(kāi)展車載激光雷達(dá)的研究。IBEO、Velodyne、SICK、Quanergy、Innoviz、AEye、禾賽科技、北科天繪等一大批國(guó)內(nèi)外公司都積極投身這一領(lǐng)域。

Velodyne公司以360°水平周掃的多光束激光雷達(dá)為主要產(chǎn)品，掃描線數(shù)達(dá)到了16線、32線及64線，是機(jī)械旋轉(zhuǎn)+多線掃描成像的典型代表，技術(shù)較為成熟。Quanergy公司則以相控陣光學(xué)掃描作為主打方案，但在回波信號(hào)的接收上存在短板，技術(shù)有待成熟。值得一提的是，AEye公司以MEMS微鏡掃描結(jié)合攝像頭實(shí)現(xiàn)行人、騎行者、車輛及動(dòng)物等關(guān)鍵性目標(biāo)物實(shí)時(shí)提取，較為貼近自動(dòng)駕駛的實(shí)際需求。目前車載激光雷達(dá)多采用成本較低的905nm激光二極管作為光源，但隨著1550nm激光器件的發(fā)展與成熟，車載激光雷達(dá)應(yīng)更傾向于這一人眼安全的波段。

圖8 （a）約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的雙軸萬(wàn)向節(jié)掃描裝置；

（b）步進(jìn)凝探測(cè)模式示意

值得注意的是，對(duì)于自動(dòng)駕駛來(lái)說(shuō)，如果由激光雷達(dá)自己先“漫無(wú)目的”做全景掃描，構(gòu)建更高分辨率、更遠(yuǎn)探測(cè)距離的三維點(diǎn)云圖像，再去與其他傳感器進(jìn)行融合，這樣不僅效率低、成本高，且將產(chǎn)生大量“無(wú)效”數(shù)據(jù)，不利于決策系統(tǒng)的快速處理和響應(yīng)。而將激光雷達(dá)與視覺(jué)感知技術(shù)深度融合，結(jié)合人工智能技術(shù)，首先對(duì)視覺(jué)傳感器“看”到的圖像進(jìn)行語(yǔ)義分割、識(shí)別，然后充分發(fā)揮“精確測(cè)距”這一激光雷達(dá)的核心優(yōu)勢(shì)，由其僅僅對(duì)分割后的圖像區(qū)域或者“興趣點(diǎn)”進(jìn)行選擇性測(cè)距，可大大減少無(wú)效數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，應(yīng)成為這一領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展方向。

車載激光雷達(dá)作為無(wú)人駕駛技術(shù)中重要的傳感器之一，對(duì)于保證無(wú)人駕駛汽車行車安全具有重要意義。隨著無(wú)人駕駛產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，車載激光雷達(dá)市場(chǎng)前景廣闊。為了滿足商業(yè)應(yīng)用的需求，車載激光雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)小型化、低成本是未來(lái)的總體發(fā)展趨勢(shì)。無(wú)人駕駛汽車產(chǎn)業(yè)化的到來(lái)以及車載激光雷達(dá)成本的降低，將共同推動(dòng)車載激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)式增長(zhǎng)。

掃描成像激光雷達(dá)成像系統(tǒng)根據(jù)不同的平臺(tái)應(yīng)用于不同的場(chǎng)合，采用直接探測(cè)的方式，不需要合作目標(biāo)，具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、成像視場(chǎng)大的優(yōu)點(diǎn)，在星載、機(jī)載、車載等領(lǐng)域有著不可替代的位置。總的來(lái)說(shuō)，為了克服單點(diǎn)掃描成像激光雷達(dá)系統(tǒng)成像速度慢的缺點(diǎn)，掃描成像激光雷達(dá)逐漸從單點(diǎn)掃描向小面陣掃描和線陣推掃式成像過(guò)渡。而且，為了減小系統(tǒng)體積、重量、功耗，掃描成像激光雷達(dá)系統(tǒng)的探測(cè)器也逐漸由線性探測(cè)器向靈敏度更高的光子計(jì)數(shù)探測(cè)器過(guò)渡。

3.2 面陣式三維成像激光雷達(dá)

近年來(lái)，隨著探測(cè)器件的發(fā)展，基于面陣成像體制的三維成像激光雷達(dá)得到了快速發(fā)展。它不需要復(fù)雜的掃描機(jī)構(gòu)，僅發(fā)射一次激光脈沖即可獲得一幀三維圖像，即所謂的“閃光式”成像，能夠極大地提高雷達(dá)系統(tǒng)三維成像的速度，特別適用于高速運(yùn)動(dòng)平臺(tái)或高動(dòng)態(tài)目標(biāo)三維成像等一些無(wú)法進(jìn)行掃描成像的特殊場(chǎng)景。

目前，按照采用的光電探測(cè)器件，面陣三維成像激光雷達(dá)大致存在APD陣列和CCD相機(jī)兩種探測(cè)方式。其區(qū)別在于，APD陣列的每個(gè)像元都是一個(gè)單點(diǎn)探測(cè)的激光像元，能夠直接給出與其對(duì)應(yīng)的距離信息，而CCD相機(jī)作為一種積分探測(cè)器件無(wú)法直接獲得距離信息，需要通過(guò)調(diào)制/解調(diào)來(lái)由所獲得圖像的灰度間接計(jì)算出每個(gè)像元對(duì)應(yīng)的距離。

對(duì)于面陣式三維成像激光雷達(dá)，為了提高系統(tǒng)的探測(cè)效率，與面陣探測(cè)器件相對(duì)應(yīng)的，其激光發(fā)射系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)為相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)陣式分光發(fā)射，目前一般多采用衍射光學(xué)器件（diffraction optical element，DOE）來(lái)進(jìn)行激光的分束，隨著垂直腔面發(fā)射激光器（vertical cavity surface emitting laser，VCSEL）的快速發(fā)展，未來(lái)其將有望成為面陣式三維成像激光雷達(dá)的理想光源。

上世紀(jì)90年代后期，美國(guó)麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室（MIT/LL）對(duì)基于蓋革模式工作的雪崩光電二極管焦平面陣列（GM-APD FPAs）進(jìn)行了研究，并將其作為探測(cè)器應(yīng)用于面陣式三維成像激光雷達(dá)。其探測(cè)陣列的規(guī)模日益增大，從4×4、8×8到128×32乃至256×256。2003年，MIT/LL研制的焦平面陣列三維成像激光雷進(jìn)行了機(jī)載三維成像試驗(yàn)，在150m的飛行高度獲得了5cm的橫向分辨率和40cm的距離分辨率。另外，該雷達(dá)還進(jìn)行了地面目標(biāo)成像試驗(yàn)和機(jī)載植被穿透試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用焦平面探測(cè)器的面陣式三維成像激光雷達(dá)具有快速獲取目標(biāo)三維圖像的能力，能夠有效地探測(cè)被遮蔽的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)偽裝目標(biāo)的精確識(shí)別（圖9）。

從MIT/LL的研究歷程來(lái)看，其重點(diǎn)都放在研制大面積APD上。受半導(dǎo)體工藝的限制，對(duì)于無(wú)法獲得大面陣APD的單位，大多采用了小面陣APD結(jié)合其他探測(cè)器或者掃描方法來(lái)獲得大視場(chǎng)以補(bǔ)償空間分辨率不足的問(wèn)題。另外，這種焦平面陣列式三維成像激光雷達(dá)對(duì)APD陣列探測(cè)器及其配套的讀出電路要求很高，在陣列像元的規(guī)模日益擴(kuò)大的情況下，受到像元間串?dāng)_和高速讀出電路帶寬的制約，因此，其三維成像的橫向和縱向分辨率均難以得到大幅度的提升。

這種情況下，研究人員開(kāi)始探索利用CCD相機(jī)等大像元規(guī)模的探測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)激光三維成像的方法。丹麥國(guó)防研究機(jī)構(gòu)在2004年提出了基于距離選通時(shí)間切片的激光三維成像方法，利用CCD相機(jī)在不同的選通距離范圍內(nèi)成像，采用時(shí)間切片步進(jìn)的方式獲取由近到遠(yuǎn)不同距離上的圖像，然后再將這些不同距離上獲得圖像的灰度信息疊加重構(gòu)出三維圖像。由其成像原理可知，它需要多幀圖像的疊加才能重構(gòu)出一幀三維圖像，成像時(shí)間較慢。

2007年，法-德圣路易斯研究所提出了一種強(qiáng)度相關(guān)激光三維成像方法，利用ICCD相機(jī)獲取的兩幅強(qiáng)度調(diào)制圖像即可重建出一幅距離圖像，能夠大幅提高三維成像的速度。然而，這種方法必須要保證激光光源的線性度，同時(shí)還要求激光脈沖和選通脈沖寬度滿足2倍關(guān)系，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為困難。浙江大學(xué)于2008年提出了基于增益調(diào)制的激光三維成像方法，采用線性-恒定、線性-線性的增益調(diào)制進(jìn)行距離信號(hào)的恢復(fù)，避免了對(duì)激光脈沖和選通脈沖形狀特殊需求的問(wèn)題，利用脈沖激光主動(dòng)照明和百萬(wàn)像素的ICCD相機(jī)，對(duì)距離1km處的建筑物進(jìn)行了三維成像實(shí)驗(yàn)，其測(cè)距精度約為1m，成像結(jié)果如圖10所示。

在此基礎(chǔ)上，哈爾濱工業(yè)大學(xué)將線性增益調(diào)制改變?yōu)橹笖?shù)增益調(diào)制，采用532nm的脈沖激光照明和ICCD 相機(jī)，對(duì)距離1km處的建筑物進(jìn)行三維成像試驗(yàn)，其測(cè)距精度約為5m，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

ICCD一般由微通道板、熒光屏、光纖錐和CCD四個(gè)器件級(jí)聯(lián)組成的，在其成像過(guò)程中，信號(hào)經(jīng)過(guò)了“光-電-光-電”的多重轉(zhuǎn)換，必然引入了較多的噪聲，并且受限于微通道板本身的通道數(shù)以及熒光屏與CCD通過(guò)光纖錐的耦合過(guò)程，其成像的傳函較低，橫向分辨率有限。

2018年，中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所提出了基于偏振調(diào)制的激光三維成像方法，利用高靈敏度、高分辨率的EMCCD相機(jī)作為探測(cè)器，其成像信號(hào)直接完成“光-電”一次轉(zhuǎn)換，省去了ICCD相機(jī)的“光-電-光-電”多重轉(zhuǎn)換過(guò)程，提高了系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度和橫向分辨率。同時(shí)，利用偏振調(diào)制技術(shù)將時(shí)間信息轉(zhuǎn)換為圖像的灰度信息，從而實(shí)現(xiàn)距離的測(cè)量。該系統(tǒng)僅需發(fā)射一次脈沖即可獲得一幅三維圖像，具備閃光三維成像能力，其曝光時(shí)間達(dá)到亞微秒量級(jí)，能夠適應(yīng)于高速運(yùn)動(dòng)平臺(tái)或高動(dòng)態(tài)目標(biāo)的三維成像需求。

圖9 MIT閃光式三維成像激光雷達(dá)對(duì)密林中隱蔽坦克進(jìn)行探測(cè)

圖10 浙江大學(xué)面陣激光雷達(dá)三維成像。（a）強(qiáng)度圖；（b）距離圖

圖11 哈爾濱工業(yè)大學(xué)面陣激光雷達(dá)三維成像。（a）強(qiáng)度圖；（b）距離圖

圖12 中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所研制的激光雷達(dá)獲取的遠(yuǎn)距離目標(biāo)三維圖像。（a）灰度圖像；（b）距離圖像

需要指出的是，面陣式激光三維成像本質(zhì)上是將掃描激光成像逐點(diǎn)式的距離信息串行獲取，改變?yōu)辄c(diǎn)陣式的距離信息并行獲取，雖然其成像速度快，不需要復(fù)雜的掃描機(jī)構(gòu)，具備閃光三維成像的能力，但同時(shí)也就要求將系統(tǒng)接收的激光回波功率平均分布到每個(gè)探測(cè)像元上，在相同的激光發(fā)射總功率和接收口徑下，探測(cè)像元越多，分散到每個(gè)像元上的回波功率就越小，因此面陣成像系統(tǒng)的探測(cè)距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)，一般僅適用于較近距離的成像探測(cè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

三維成像激光雷達(dá)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的被動(dòng)相機(jī)成像相比不僅能夠捕獲被測(cè)目標(biāo)的強(qiáng)度像還能提供目標(biāo)的距離圖像，能夠獲取更為豐富的目標(biāo)信息，且不受光照條件限制；與微波雷達(dá)成像系統(tǒng)相比，激光成像系統(tǒng)具有更高的距離和角度分辨率，以及更小的體積、重量和功耗。三維成像激光雷達(dá)日益成為現(xiàn)代成像領(lǐng)域不可或缺的重要組成部分，隨著激光器與探測(cè)器等元器件的不斷發(fā)展，激光雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展也日新月異，其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)展。

三維成像激光雷達(dá)逐漸從單點(diǎn)掃描向小面陣掃描和線陣推掃式及面陣閃光成像發(fā)展，成像速度越來(lái)越快；同時(shí)單光子探測(cè)技術(shù)逐漸成熟，探測(cè)靈敏度越來(lái)越高，也使得激光雷達(dá)系統(tǒng)的體積、重量、功率進(jìn)一步減小。本文對(duì)三維成像激光雷達(dá)進(jìn)行了綜述，詳細(xì)闡述了國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀及不同體制的工作原理，總結(jié)了不同體制成像激光雷達(dá)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，希望能夠?yàn)樽x者了解現(xiàn)代成像激光雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展及進(jìn)行激光雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供借鑒。

另外，也要認(rèn)識(shí)到三維成像激光雷達(dá)作為一種探測(cè)手段也有其不足之處，例如相比于被動(dòng)相機(jī)成像，其橫向分辨率不高，缺乏目標(biāo)的紋理信息，相比于微波雷達(dá)，其更易受到云、霧、霾等大氣條件的限制?，F(xiàn)代探測(cè)技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越趨向于多種傳感器的融合探測(cè)從而獲取更豐富的目標(biāo)信息，三維成像的發(fā)展也趨向于主、被動(dòng)成像相結(jié)合。

在激光雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中應(yīng)充分考慮實(shí)際需要，盡量避免“以己之短，克敵之長(zhǎng)”的情況，而是發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)，與可見(jiàn)/紅外相機(jī)等被動(dòng)成像相結(jié)合，充分利用他們面陣成像、大視場(chǎng)的優(yōu)點(diǎn)，在興趣點(diǎn)/控制點(diǎn)上進(jìn)行快速、精確測(cè)距，從而做到“點(diǎn)面結(jié)合，各善所長(zhǎng)”。

審核編輯 ：李倩