前面的文章中我們已經(jīng)介紹了幾個重要的感知傳感器——攝像機(jī)，毫米波雷達(dá)等。攝像機(jī)作為視覺傳感器，能為無人車提供豐富的感知信息。但是由于本身感知原理的缺陷，導(dǎo)致攝像機(jī)的測距并不是那么準(zhǔn)確。長遠(yuǎn)來說，激光雷達(dá)配合毫米波雷達(dá)， 再加上視覺環(huán)境感知的綜合方案才能真正做到無人駕駛。因此，工程師們引入了激光傳感器。這就是我們常在Level 3級別以上的無人車上看到的設(shè)備。比如通用用于研究Level 4級別自動駕駛技術(shù)的Bolts，就在車頂上頂了好多激光雷達(dá)。

如下圖所示，激光雷達(dá)的發(fā)射器發(fā)射出一束激光，激光光束遇到物體后，經(jīng)過漫反射，返回至激光接收器，雷達(dá)模塊根據(jù)發(fā)送和接收信號的時間間隔乘以光速，再除以2，即可計算出發(fā)射器與物體的距離。

最早的激光雷達(dá)主要用于測繪，我們就從機(jī)載激光雷達(dá)的歷史來了解一下激光雷達(dá)的發(fā)展歷程。

激光雷達(dá)（LiDAR），最早的機(jī)載激光雷達(dá)是一種主動式對地進(jìn)行三維直接觀察和測量的技術(shù)，因此我們可以使用它晝夜工作。隨著計算機(jī)技術(shù)、GPS和其自身技術(shù)的發(fā)展和完善，機(jī)載激光雷達(dá)最近幾年受到了越來越多的重視。

LiDAR是從英文短語Light DetectionAnd Ranging中提取出來的。我們望字生意，很容易把LiDAR與雷達(dá)（RADAR）聯(lián)系起來。而Light DetectionAnd Ranging與Radiowave Detection And Ranging確實(shí)是一對孿生兄弟。在雷達(dá)中，我們采用的是無線電波，而在LiDAR中，我們采用的是激光器發(fā)射的可見和近紅外光波，在大氣和環(huán)境研究中，也會采用其它波段的光波。因此，有時我們又將LiDAR稱作激光雷達(dá)。

激光雷達(dá)的工作原理與雷達(dá)非常相近。早期的機(jī)載激光雷達(dá)由激光器發(fā)射出的脈沖激光由空中入射到地面上，打到樹木上，道路上，橋梁上，房子上，引起散射。一部分光波會經(jīng)過反射返回到激光雷達(dá)的接收器中。接收器通常是一個光電倍增管或一個光電二極管，它將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，記錄下來。同時由所配備的計時器記錄下來同一個脈沖光信號由發(fā)射到被接收的時間T。于是，就能夠得到由飛機(jī)上的激光雷達(dá)到地面上的目標(biāo)物的距離R為: R = C*T/2。這里C代表光速，是一個常數(shù)，即C=300,000公里/秒。

激光雷達(dá)每一個脈沖激光的最大距離分辨率（maximum rangeresolution）也可由以下公式給出：⊿R = C/2·(tL+tN+tW)。這里，tL代表激光脈沖的長度，tN代表接收器電子器件的時間常數(shù)，tW代表激光與目標(biāo)物體的碰撞時間常數(shù)。對于一個Q-開關(guān)的Nd:YAG激光器，它的脈沖常數(shù)是10納秒，接收器電子器件的時間常數(shù)stN一般是50納秒到200納秒，激光與目標(biāo)物體的碰撞時間常數(shù)tW較小，一般忽略不計。因此，距離分辨率⊿R一般在7.5米到30米。

激光雷達(dá)的研發(fā)早在上個世紀(jì)的七十年代就開始了(Jennifer andJeff 1999)。最初，是由美國的航天航空總署NASA研究出了一種非常笨重的基于激光測量的設(shè)備。盡管它非常昂貴，也只能測量放在地面上的飛機(jī)的精確的高度。在八十年代后期，隨著GPS民用技術(shù)的提高，使得GPS對位置定位的精度達(dá)到了厘米的量級。高精度的用于記錄激光來回時間的計時器和高精度的慣導(dǎo)測量儀（InertialMeasurement Units，IMU）的相繼問世，為激光雷達(dá)的商業(yè)化打下了基礎(chǔ)。

在上個世紀(jì)的八十年代末，德國的Peter Frieβ和JoachimLindenberger在Deutsche Forschungsgemeinschaft攻讀博士學(xué)位時開始了有關(guān)激光雷達(dá)技術(shù)的研究課題。在1989年，他們與Fritz Ackermann教授一起在Univ. ofStuttgart (斯圖加特大學(xué)遙感學(xué)院)進(jìn)行了首次相關(guān)的試驗飛行。測試結(jié)果令人信服地顯示出激光雷達(dá)用于地形地貌測量和制圖方面的巨大的潛力和發(fā)展遠(yuǎn)景。

1992年，在獲得了博士學(xué)位后，Peter Frieβ和JoachimLindenberger成立了TopScan GmbH公司，開始了商業(yè)化機(jī)載激光雷達(dá)的嘗試。很快，TopScan開始了與位于加拿大多倫多市的Optech公司的合作，并且在1993年聯(lián)合進(jìn)行了樣機(jī)的試飛和測試。1995年，由Optech公司與TopScan共同推出了ALTM1020激光雷達(dá)，并在1997年對其性能進(jìn)行了全面的提高，激光發(fā)生的頻率由200赫茲提高到5000赫茲，飛行高度也達(dá)到了1000米。

與此同時，德國的TopSys也開發(fā)出了基于光纖激光器的激光雷達(dá)，F(xiàn)alcon I。從1995年到2003年的八年間，Optech共銷售了15臺ALTM1020和ALTM 1225激光雷達(dá)(ChristianWeaver, and Joachim Lindenberger)。而TopSys除了自己使用外，一共向外賣出了兩臺Falcon I和Falcon II。期間，TopScan也轉(zhuǎn)向了向用戶提供激光雷達(dá)服務(wù)的主業(yè)。Optech公司在2004年和2006年又分別推出了能夠發(fā)射在1000米的高度發(fā)射100,000赫茲的ALTM3100和具備在接近2000米的高度時發(fā)射100,000赫茲的ALTMGemini。

在1997年的時候，針對已有激光雷達(dá)的不足之處，成立于1956年的專門從事制圖和GIS服務(wù)的Azimuth也進(jìn)入了這個新興的行業(yè)，并且在技術(shù)方面進(jìn)行了一些提高，于1999年向市場推出了AeroSensor激光雷達(dá)(Kevin P.Corbley)。Azimuth公司位于美國馬薩諸塞州，由于公司規(guī)模小，她采取了積極開放的態(tài)度，與美國科羅拉多州的EnerQuest合作，由EnerQuest推出RAMS激光雷達(dá)，在1999年先后賣給了日本和澳大利亞的客戶。同時，EnerQuest公司在Robert Kletzli的帶領(lǐng)下，首先研發(fā)出了配備數(shù)碼相機(jī)的RAMS激光雷達(dá)，并且用于2000年的悉尼奧運(yùn)會。

2001年的5月，萊卡公司通過收購Azimuth公司，開始進(jìn)入此領(lǐng)域，并將AeroSensor改名為ALS40。當(dāng)時，萊卡公司已經(jīng)向市場引進(jìn)了推進(jìn)掃描式的數(shù)碼相機(jī)ADS40，藉希望于把ADS40與ALS40結(jié)合起來使用。由于Azimuth規(guī)模小，剛成立不久，所以在被收購前，一共只賣了若干臺，其中還包括RAMS系統(tǒng)。萊卡公司在2003年推出了ALS50，2006年初升級為ALS50-II。為了提高激光點(diǎn)的密度，萊卡公司在2006年十月的INTERGEO大會上，又推出了一項新技術(shù)：MultiplePulses in Air (MPiA)。它使得激光雷達(dá)不需要等待是否收到了上一個信號后才發(fā)出下一個新信號，因此信號接收器能夠從同一個激光脈沖信號周期里接收到多于一個以上的信號，因而在激光器不變的情況下，在更高的高度上可接收到更多的激光點(diǎn)。

在上個世紀(jì)的九十年代初，一個瑞典的公司Saab接收了瑞典國防部的合同，研究用于追蹤潛艇的激光雷達(dá)系統(tǒng)。在1994年和1995年，Saab公司分別向瑞典海軍和瑞典海岸線管理局兩套HAWK Eye激光雷達(dá)系統(tǒng)。HAWK Eye激光雷達(dá)系統(tǒng)也是世界上個用于水下探測的激光雷達(dá)系統(tǒng)。在2002年，Saab公司把生產(chǎn)HAWK Eye激光雷達(dá)系統(tǒng)的技術(shù)轉(zhuǎn)讓給由三個前雇員成立的AHAB公司。2005年6月，Blom公司收購了AHAB。在2005年，AHAB公司向市場推出了HAWK Eye II系統(tǒng)，客戶包括挪威的Blom公司和皇家海岸線測繪公司。HAWK Eye II系統(tǒng)采用了兩個激光器，一個是用于水下探測的采用532納米波長的激光器，激光接收頻率為4000赫茲；另一個是用于海岸線測量的近紅外激光器，激光接收頻率為64000赫茲。飛行高度為200米到400米之間。一般使用直升飛機(jī)作為載體。

這里我們要提到一個在激光雷達(dá)發(fā)展史上另一個重要的公司：Riegl。Riegl公司位于奧地利首都維也納東北角80公里的一個叫Horn（號角）的小鎮(zhèn)。她是由維也納技術(shù)大學(xué)的Riegl教授于1975年創(chuàng)立的，起初專門生產(chǎn)固體二極管激光器及激光測距儀。從1996年開始，向市場推出了可用于機(jī)載、車載和船載的一系列二維激光掃描儀：LMS-Q140,LMS-Q140i, LMS-Q160, LMS-Q120, LMS-Q240, LMS-Q240i, LMS-Q280, LMS-Q280i,LMS-Q560。射程涵蓋近距離2米-100米、低空（2米-400米）、中低空（30-700米）和中高空（30米-2000米）。

我們知道，Optech和萊卡的激光雷達(dá)由于問世較早，為了追求飛行的高度而采用了大功率的對于人和動物眼睛會有傷害的激光器。當(dāng)在中低空飛行時，為了減少傷害，采用了降低功率輸出、增大光斑尺寸等措施，因而直接造成了空間分辨率的下降。這里我們要指出的是，所有的Riegl激光掃描儀均使用對人和動物眼睛安全的激光器，因此無論是低空飛行還是2000米的中高空飛行，均不需要對激光的輸出做任何的調(diào)整，保持了測量的高精度。我們高興的看到，Optech公司已經(jīng)在其用于地面的三維激光雷達(dá)系統(tǒng)中改用對人和動物眼睛安全的激光器，因此，隨著激光器研究的進(jìn)一步發(fā)展，全面采用對人和動物眼睛安全激光器的機(jī)載激光雷達(dá)已經(jīng)為時不遠(yuǎn)。

由于種類繁多，性價比高，在歐洲和北美的許多地方得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是電力、公路，鐵路、林業(yè)、礦山、城市規(guī)劃、海岸線、考古等領(lǐng)域。許多公司、大學(xué)和研究單位以及政府部門紛紛使用Riegl的二維激光掃描儀來自己組裝激光雷達(dá)。

其中，Riegl公司于2004年推出的LMS-Q560是世界上第一款商業(yè)化的能夠進(jìn)行數(shù)字化采集和處理激光全波形的二維激光掃描儀。雖然每一個激光脈沖都是一個周期為2π的正弦波，但是由于技術(shù)的限制，過去只能將接收到的正弦波信號提取為幾個分立的信號，放棄了許許多多的細(xì)節(jié)。能夠進(jìn)行數(shù)字化全波形的采集、記錄和處理的LMS-Q560使得我們能夠更多地看到物體表面的細(xì)節(jié)、粗糙度和變化。諸如房頂和房沿，江河岸邊等斷點(diǎn)線，茂密植被覆蓋下的地區(qū)的地形地貌在過去一直是令人頭痛的事情，因為采用時間-飛行原理（TOF，Time Of Flight）的激光雷達(dá)很難通過空隙成功地入射到地面上，同時，即使最先進(jìn)的濾波幾何學(xué)在面對如此的激光點(diǎn)云進(jìn)行分類時，也經(jīng)常出錯。然而，采用數(shù)字化記錄全波形的方法已經(jīng)證明，即使茂密植被漏出百分之幾的空隙，通過所獲取的全波形反射波，我們也能夠得到在激光腳印的區(qū)域內(nèi)垂直方向結(jié)構(gòu)和地面形貌的詳細(xì)細(xì)節(jié)。它是機(jī)載激光雷達(dá)發(fā)展史上的一個里程碑。

Riegl公司最新推出的CP560激光雷達(dá)，不僅能夠飛超低空（30米），而且能夠飛2000米的高度，激光的最大發(fā)射頻率為240,000赫茲，可接收到的激光點(diǎn)達(dá)到了160,000/秒。配備雙激光器的BP560激光.雷達(dá)，激光的最大發(fā)射頻率達(dá)到了400,000赫茲。另外，基于Riegl的激光掃描儀和自己的飛行管理和導(dǎo)航系統(tǒng)，德國的IGI開發(fā)出了LiteMapper 2800和LiteMapper 5600激光雷達(dá)，德國的iMAR研發(fā)并向智利出口了AIRSURV-LS1000(RieglLMS-Q560)。TopSys研發(fā)了基于美國天寶公司的導(dǎo)航系統(tǒng)的Harrrier 24 (基于Riegl LMS-Q240)和Harrier 56 (基于Riegl LMS-Q560)。

目前市場上的激光雷達(dá)的激光發(fā)射的最大頻率范圍為10,000赫茲—240,000赫茲。均為Riegl公司所生產(chǎn)。Optech公司和萊卡公司的激光器的最大發(fā)射頻率分別是160,000赫茲和150,000赫茲。TopSys的是125,000赫茲。在2008 ISPRS會議上，徠卡公司推出了新的ALS60系統(tǒng)，其激光器的最大發(fā)射頻率為200,000赫茲。另外，Riegl公司也在2008 INTERGEO會議上推出新的激光雷達(dá)系統(tǒng)。

萊卡和Optech公司采用的是大功率的波長為1064納米的安全等級為IV級（I級是最安全的，II級以上越來越不安全）的Nd-YAG激光器。當(dāng)?shù)涂诊w行時，就必須增大激光的光斑，并且采用強(qiáng)度衰減器來降低輸出激光的強(qiáng)度。而Riegl公司和TopSys公司采用的是對人和動物眼睛安全的波長為1550納米的近紅外激光器。因此無論是低空飛行還是中高空飛行都不需要增大激光的光斑和衰減激光的強(qiáng)度。