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展和升級。人工智能時代的到來，激光雷達也已被廣泛應用於(yu) 自動駕駛、機器人、安防監控、無人機、地圖測繪、物聯網、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製造水平的更新，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(ti) 可分為(wei) 星載、機載、車載及固定式激光雷達係統。其中星載及機載激光雷達係統結合衛星定位、慣性導航、攝影及遙感技術，可進行大範圍數字地表模型數據的獲取；車載係統可用於(yu) 道路，橋梁，隧道及大型建築物表麵三維數據的獲取；固定式激光雷達係統常用於(yu) 小範圍區域精確掃描測量及三維模型數據的獲取。

總之，激光雷達技術的出現，為(wei) 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。這一技術的發展也給傳(chuan) 統測量技術帶來革命性的挑戰。

激光雷達傳(chuan) 感技術的發展曆程

國外激光雷達技術的研發起步較早，早在20世紀60年代年代，人們(men) 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展，研製出了精度可靠的激光雷達測量傳(chuan) 感器，利用它可獲取星球表麵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展，隨著掃描，攝影、衛星定位及慣性導航係統的集成，利用不同的載體(ti) 及多傳(chuan) 感器的融合，直接獲取星球表麵三維點雲(yun) 數據，從(cong) 而獲得數字表麵模型DSM，數字高程模型DEM，數字正射影像DOM及數字線畫圖DLG等，實現了激光雷達三維影像數據獲得技術的突破。使得雷達技術得到了空前發展。

如今激光雷達技術已廣泛應用於(yu) 社會(hui) 發展及科學研究的各個(ge) 領域，成為(wei) 社會(hui) 發展服務中不可或缺的高技術手段。

激光雷達傳(chuan) 感技術的定義(yi) 與(yu) 分類

一、激光雷達的定義(yi)

激光雷達（LiDAR）是一種用於(yu) 精確獲得三維位置信息的傳(chuan) 感器，好比人類的眼睛，可以確定物體(ti) 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境信息的主動傳(chuan) 感器的統稱。它利用激光束探測目標，獲得數據並生成精確的數字工程模型。

激光雷達由發射係統、接收係統 、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(wei) 950nm波段附近的紅外光）發射、反射和接收來探測物體(ti) 。

二、激光雷達的分類

根據結構，激光雷達分為(wei) 機械式激光雷達、固態激光雷達和混合固態激光雷達。

1、機械式激光雷達

機械激光雷達，是指其發射係統和接收係統存在宏觀意義(yi) 上的轉動，也就是通過不斷旋轉發射頭，將速度更快、發射更準的激光從(cong) “線”變成“麵”，並在豎直方向上排布多束激光，形成多個(ge) 麵，達到動態掃描並動態接收信息的目的。

因為(wei) 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(hui) 轉，個(ge) 頭較大。

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

2、混合固態激光雷達

機械式激光雷達在工作時發射係統和接收係統會(hui) 一直360度地旋轉，而混合固態激光雷達工作時，單從(cong) 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並深深地隱藏在外殼之中。

業(ye) 內(nei) 普遍認為(wei) ，混合固態激光雷達指用半導體(ti) “微動”器件（如MEMS掃描鏡）來代替宏觀機械式掃描器，在微觀尺度上實現雷達發射端的激光掃描方式。MEMS掃描鏡是一種矽基半導體(ti) 元器件，屬於(yu) 固態電子元件；但是MEMS掃描鏡並不“安分”，內(nei) 部集成了“可動”的微型鏡麵；由此可見MEMS掃描鏡兼具“固態”和“運動”兩(liang) 種屬性，故稱為(wei) “混合固態”。

對於(yu) 激光雷達來說，MEMS最大的價(jia) 值在於(yu) ：原本為(wei) 了機械式激光雷達實現掃描，必須使激光發射器轉動。而MEMS微機電係統可以直接在矽基芯片上集成體(ti) 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(cong) 而實現掃描。

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(ge) 係統在行車環境出現問題的幾率。另外，主要部件運用芯片工藝生產(chan) 之後，量產(chan) 能力也得以大幅度提高，有利於(yu) 降低激光雷達的成本，可以從(cong) 上千乃至上萬(wan) 美元降低到數百美元。

3、固態激光雷達

相比於(yu) 機械式激光雷達，固態激光雷達結構上最大的特點就是沒有了旋轉部件，個(ge) 頭相對較小。

固態激光雷達的優(you) 點包括了：數據采集速度快，分辨率高，對於(yu) 溫度和振動的適應性強；通過波束控製，探測點（點雲(yun) ）可以任意分布，例如在高速公路主要掃描前方遠處，對於(yu) 側(ce) 麵稀疏掃描但並不完全忽略，在十字路口加強側(ce) 麵掃描。而隻能勻速旋轉的機械式激光雷達是無法執行這種精細操作的。

從(cong) 使用的技術上，固態激光雷達分為(wei) OPA固態激光雷達和Flash固態激光雷達。

（1）OPA固態激光雷達

OPA（optical phased array）光學相控陣技術。對軍(jun) 事有所了解的讀者，應該會(hui) 知道相控陣雷達，美海軍(jun) 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運用相幹原理（類似的是兩(liang) 圈水波相互疊加後，有的方向會(hui) 相互抵消，有的會(hui) 相互增強），采用多個(ge) 光源組成陣列，通過控製各光源發光時間差，合成具有特定方向的主光束。然後再加以控製，主光束便可以實現對不同方向的掃描。

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

因為(wei) 沒有任何機械結構，自然也沒有旋轉。所以相比傳(chuan) 統機械式雷達，OPA固態激光雷達有掃描速度快、精度高、可控性好、體(ti) 積小等優(you) 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(chan) 難度高。

（2）Flash固態激光雷達

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

因此，Flash固態激光雷達屬於(yu) 非掃描式雷達，發射麵陣光，是以2維或3維圖像為(wei) 重點輸出內(nei) 容的激光雷達。某種意義(yi) 上，它有些類似於(yu) 黑夜中的照相機，光源由自己主動發出。

Flash固態雷達的一大優(you) 勢是它能快速記錄整個(ge) 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固態激光雷達沒有“遠視眼”，在實際使用中不適合遠程探測，而業(ye) 內(nei) 專(zhuan) 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(ti) 。

其實Flash固態激光雷達的成本還是相對低，但基於(yu) 3D Flash技術的固態激光雷達，在技術的可靠性方麵還存在問題。

激光雷達傳(chuan) 感技術的工作原理

激光雷達的工作原理與(yu) 雷達非常相近，以激光作為(wei) 信號源，由激光器發射出的脈衝(chong) 激光，打到地麵的樹木，道路，橋梁和建築物上引起散射，一部分光波會(hui) 反射到激光雷達的接收器上，根據激光測距原理計算，就得到從(cong) 激光雷達到目標點的距離。

脈衝(chong) 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據，用此數據進行成像處理後，就可得到精確的三維立體(ti) 圖像。也可以測量兩(liang) 個(ge) 或多個(ge) 距離，並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係統一般包括；激光源或其它發射器，靈敏的光電探測器或其它接收器，同步和數據處理電子係統，運動控製設備或微機電係統（MEMS）掃描鏡（二選一）。均是基於(yu) 精確的激光掃描組件並可用於(yu) 創建3D地圖或收集近距離數據。

民用和商業(ye) 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。在用眼安全的波長範圍內(nei) ，當在地形測繪和避障中探測固體(ti) 時，通常需要約紅外激光器發射1.5 m的波長。

激光雷達傳(chuan) 感技術的特點

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

1、極高的分辨率

激光雷達工作於(yu) 光學波段，頻率比微波高2～3個(ge) 數量級以上，因此，與(yu) 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、高抗幹擾能力

激光波長短，可發射發散角非常小的激光束，多路徑效應小（不會(hui) 像微波或者毫米波一樣產(chan) 生多徑效應），可探測低空或超低空目標；

3、豐(feng) 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(yi) 可全天候進行偵(zhen) 測任務。它隻需發射自己的激光束，通過探測發射激光束的回波信號來獲取目標信息。

激光雷達傳(chuan) 感技術的應用領域

據調查，目前大部分企業(ye) 都以無人車、機器人及無人車領域激光雷達為(wei) 主要研究方向。而傳(chuan) 統機械式激光雷達已逐漸向固態激光雷達方向轉變。在價(jia) 格方麵，無人駕駛領域的激光雷達少則上萬(wan) ，多則幾十萬(wan) 元，普遍要高於(yu) 機器人及 AGV 等領域價(jia) 格。在未來，固態、小型、低成本激光雷達將是各企業(ye) 的著重發力點。

隨著國際社會(hui) 對激光雷達技術的深入研究，這一新興(xing) 技術的優(you) 越性越來越明顯，在各個(ge) 行業(ye) 均有其獨特的優(you) 勢。下麵將列舉(ju) 幾個(ge) 主要應用領域的領先技術。

一、自動駕駛領域

由於(yu) 激光雷達與(yu) 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(chuan) 感器。激光雷達相較於(yu) 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(feng) 富的紋理色彩，所以能夠實現精細化的識別，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境光的影響大，在強光照射、高亮反白物體(ti) 、夜晚弱光環境等情景下，采集到的數據都難以通過算法進行有效可靠的環境感知。

激光雷達是通過激光主動探測成像的，不受環境光影響，直接測量物體(ti) 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，然後再分類，識別準確度和可靠性遠超攝像頭，而消耗的計算資源低於(yu) 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(hui) 麵臨(lin) “要往哪裏去”的問題。所以，確定“我在哪裏”是第一步，也是非常關(guan) 鍵的一步。按常規理解，定位應該隻是GPS的任務，的確，自動駕駛的定位會(hui) 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，還能夠實現分類標注，把障礙物分為(wei) 卡車、小汽車、行人、自行車等。

二、安防領域

隨著國內(nei) 安防領域的快速發展，安防係統越來越向集成化、多功能化、智能化方向發展，傳(chuan) 統的單一攝像頭模式已經無法完全滿足安防環境越來越複雜化、多樣化、多功能化的要求。激光雷達的加入，為(wei) 安防集成商和客戶提供了新的解決(jue) 思路和新的功能補充。相比於(yu) 傳(chuan) 統的安防監控係統，基於(yu) 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(you) 勢。

近年來，激光雷達技術飛速發展，技術從(cong) 簡單的激光測距技術，逐步發展出激光跟蹤、激光測速、激光掃描成像、激光多普勒成像等技術。其工作環境也從(cong) 最開始的可見光區域（紅寶石激光器），發展到近紅外區（Nd：YAG激光器），再之後是紅外區域（CO2激光器），而現在很多激光雷達工作是在對人眼無害的近紅外區域（0．76～1．5μm）。由此湧現了許多不同用途的激光雷達，如精密跟蹤激光雷達、偵(zhen) 測激光雷達、水下激光雷達等，從(cong) 而使激光雷達成為(wei) 一類具有多種功能的係統。

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”。物聯網、傳(chuan) 感器、人工智能的快速發展讓這些變成現實。信息技術、傳(chuan) 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據，這種檢測是微觀的，同時也是實時和準確的，可以用於(yu) 信號燈控製機即時感應控製、自適應控製和綠波帶控製，也是未來實現車聯網車路協同的基礎。

四、機器人領域

隨著機器人深入人們(men) 的生活，例如工廠、倉(cang) 庫、酒店、商場、餐廳等環境中的使用，人們(men) 對機器人的移動能力越為(wei) 重視，市場對智能化設備的需求日益高漲。以至於(yu) 避障成為(wei) 一個(ge) 極為(wei) 關(guan) 鍵且必要的功能。

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

實現避障與(yu) 導航的必要條件是環境感知，在未知或者是部分未知的環境下避障需要通過激光雷達傳(chuan) 感器獲取周圍環境信息，包括障礙物的尺寸、形狀和位置等信息，因此傳(chuan) 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(ti) 機、智能眼鏡等產(chan) 品已經麵市，AR眼鏡、AR頭顯的應用也是非常之廣。

在用到AR頭顯進行的遊戲中，運用的空間感知定位技術裏麵會(hui) 用到激光雷達和許多配套的光學傳(chuan) 感器，通過SLAM技術（即時定位與(yu) 地圖構建），精準定位自己在三維空間中的位置，增強在遊戲中的真實體(ti) 驗感。

六、3D打印領域

近年來，3D打印備受關(guan) 注，它是一種以數字模型文件為(wei) 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(ti) 的技術。3D打印作為(wei) 前沿性、先導性的智能製造技術，將引領傳(chuan) 統生產(chan) 方式和生產(chan) 工藝的變革，有望成為(wei) 推動新一輪工業(ye) 革命的源動力。

在3D打印裏麵，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(cong) 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、研磨和著色這樣的後處理。這種技術主要基於(yu) 成熟的寬幅工業(ye) 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，然後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，激光雷達在這裏麵扮演者測量、監控等角色。

激光雷達傳(chuan) 感技術的前景展望

激光雷達技術的發展為(wei) 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(men) 從(cong) 傳(chuan) 統的單點數據獲取變為(wei) 連續自動數據獲取，並能夠快速地獲取精確的高分辨率的數字地麵模型以及地麵物體(ti) 的三維坐標，同時配合地物的影像，增強人們(men) 對地物的認識和識別能力，在社會(hui) 建設的各個(ge) 領域均具有廣闊的發展前景和應用需求。目前，越來越多的用戶對使用激光雷達技術產(chan) 生了濃厚的興(xing) 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(jue) 城市建設、規劃、環保、虛擬顯示，軍(jun) 事國防，電子娛樂(le) 、災害預防與(yu) 控製等方麵的數據需求。涉及測繪、國土、規劃、電力、交通等多個(ge) 領域的產(chan) 業(ye) 部門的用戶。隨著激光雷達技術在我國的全麵推廣以及相關(guan) 技術的飛速發展，激光雷達技術難度將大大降低，會(hui) 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(cong) 而創造更大的經濟利益和社會(hui) 效益。