隨著人工智能的發展，汽車自動駕駛不再是想象中的場景，你知道汽車是如何看清周圍的環境，實現自主駕駛嗎？這就不得不提到機器人的“眼睛”——三維成像激光雷達。激光雷達顧名思義(yi) ，就是一種借助激光對物體(ti) 距離進行測量的主動探測遙感設備，與(yu) 微波雷達類似，人們(men) 最早是從(cong) 蝙蝠身上找到的靈感。激光雷達與(yu) 它們(men) 相比測距精度更高，並且可以看到物體(ti) 更加細節的特征，因而在生活中有著非常廣泛的應用。

本文引用地址：https://www.eepw.com.cn/article/202009/417783.htm上世紀六七十年代，發達國家就已經開始了激光雷達在三維成像領域的研究。如果把激光雷達對物體(ti) 的成像比作盲人摸象，那麽(me) 我們(men) 可以把“摸象”的過程分成兩(liang) 步：首先是知道“象”的位置和距離，然後通過在“象”身上不斷摸索來確定“象”的樣子。而這也就對應著三維成像激光雷達工作的兩(liang) 大部分：激光距離測量過程和激光三維成像過程。

激光雷達的測距方法有哪些呢？

就像大家所熟知的那樣，路程=速度×時間，激光雷達的測距過程也離不開這個(ge) 公式。在空間中，激光的飛行速度是已知的3×108 m/s。現有的激光雷達測距方法有很多種，除了直接測量激光脈衝(chong) 飛行時間的方式，還可以通過對發射激光信號的幅度、頻率等參數進行調製來間接的獲取目標的距離信息。

利用激光雷達進行距離測量，針對不同的應用場景，我們(men) 要對症下藥。

“激光測距裏的千裏眼”——脈衝(chong) 激光測距法

脈衝(chong) 激光具有峰值功率大的特點，這使它能夠在空間中傳(chuan) 播很長的距離，所以脈衝(chong) 激光測距法可以對很遠的目標進行測量。很遠是有多遠呢？目前人類曆史上最遠的激光測量距離是地球和月亮之間的距離，他們(men) 采用的就是脈衝(chong) 激光測距法。自2019年6月以來，我國天琴計劃團隊已經多次成功實現地月距離的測量，通過對脈衝(chong) 飛行時間的精確計時，得到地月距離在351,000 km到406,000 km（橢圓軌道）之間波動。

脈衝(chong) 激光測距是一種發展十分成熟的測距體(ti) 製，不僅(jin) 可以用來對遠目標探測，還可以用在數公裏甚至數十米測量場景下。目前的汽車自動駕駛中也大多采用這種方法，其測距精度可以達到厘米量級，這對大部分的應用場景已經足夠。

“明察秋毫”的相位激光測距法

對那些對測距精度要求較高的應用場景，如“空間交匯對接”中最後的接近段等，厘米級的測距精度已經不能滿足它們(men) 的要求，這時候需要用相位激光測距的方法來測量。

相位激光測距發射的是經過了調製的連續激光信號，通過測量回波信號與(yu) 發射信號之間的相位差來確定目標的距離。與(yu) 脈衝(chong) 激光測距相比，相位式激光測距法有更高的測距精度，其測距精度可以達到毫米級。但是由於(yu) 相位式測距發射的激光為(wei) 連續波，這使得它的平均功率遠低於(yu) 脈衝(chong) 激光的峰值功率，因而無法實現遠距離目標的探測。我們(men) 生活中常用的手持式激光測距儀(yi) 大多都是采用相位激光測距的方法。

“追著你測”的調頻連續波激光測距法

如果目標是運動的，除了距離，我們(men) 還想知道目標的速度時，該怎麽(me) 辦呢？隨著航天技術的發展，保證航天器能夠安全的軟著陸成為(wei) 一個(ge) 重要的問題。單次脈衝(chong) 激光測距和相位測距法隻能獲得目標的距離信息，若要獲得其速度至少需要兩(liang) 次測量結果並結合兩(liang) 次測量的時間間隔來計算。而這樣計算出來的平均速度的精度遠低於(yu) 激光多普勒測速雷達的測速精度。

調頻連續波激光測距方法可以解決(jue) 這個(ge) 問題，它不僅(jin) 可以測距，還可以測速，因此可以應用於(yu) 相對運動速度較高的目標測距。美國國家航天局NASA於(yu) 2006年提出的用於(yu) 重返月球和探測火星的自主著陸和障礙規避計劃（ALHAT計劃）正是采用了這種測距方法，該雷達於(yu) 2008年和2010年進行了飛行試驗，取得了不錯的效果。

激光雷達是如何成像的？

“盲人摸象”走完第一步，我們(men) 已經成功的找到了“大象”的位置和距離，下一步我們(men) 該如何知道“大象”的樣子呢？這就是激光雷達的成像過程要解決(jue) 的問題。簡單的理解，激光雷達三維成像其實就是在測出目標各點距離的基礎上，同時獲得每個(ge) 點與(yu) 雷達之間的水平角和俯仰角，這樣我們(men) 就得到目標三維信息了。按照目標各點三維信息的獲取方式，激光成像體(ti) 製主要有掃描式激光成像和麵陣式激光成像。

“讓激光動起來”的掃描三維成像

掃描式激光成像方法目前已經相當成熟，在地形測量、工程建設，汽車導航領域有著非常廣泛的應用。它由單點激光測距配合快速光束掃描器件來實現對目標上各點距離信息的獲取，再將這些距離信息與(yu) 該點對應光束指向的方位角和俯仰角結合得到目標的距離-角度-角度圖像(Rang-Angle-Angle)，又稱為(wei) 三維圖像。

美國國家航天局NASA為(wei) 測量冰蓋質量平衡、冰蓋高度和海冰厚度以及陸地地形和植被特征等研製了ICESat星載激光雷達成像係統。ICESat於(yu) 2003年1月13日發射成功，它在激光測距的基礎上，利用衛星平台的運動，實現對地表的單點掃描成像。在軌工作7年後，ICESat於(yu) 2010年完成了對地球表麵絕大部分地區的激光測繪工作。

掃描三維成像也被廣泛的用在汽車自動駕駛裏。為(wei) 了提高掃描的速率，市麵上的車載激光雷達往往采用發射激光陣列的形式進行掃描成像，這也被稱為(wei) 多線束成像。其中Velodyne公司以360°旋轉的多線束激光雷達為(wei) 主要產(chan) 品，掃描線數達到了16線、32線及64線，是機械旋轉加多線掃描成像的典型代表，技術較為(wei) 成熟。

“一眼就能看穿你”的麵陣三維成像

除了這種掃描遍曆目標的成像方式，有沒有其他更加便捷，“啪”的一下就能得到目標三維信息的成像方式呢？

有！

麵陣式激光成像就是為(wei) 此產(chan) 生的一種快速成像方式。相比於(yu) 掃描式激光成像需要逐點掃描測距的方式，麵陣式激光成像它僅(jin) 需發射一次激光脈衝(chong) 即可以得到一整幅三維圖像。如果把掃描成像的方式比作用手指摸索目標全貌，那麽(me) 麵陣成像就像是用巨大的手掌直接覆蓋目標。同時，因為(wei) 沒有掃描結構，所以麵陣式係統整機結構更加緊湊，體(ti) 積更小。按照探測器的不同，麵陣三維成像大致可以分為(wei) APD陣列和CCD相機兩(liang) 種探測方式。

APD陣列的每個(ge) 像元都是一個(ge) 單點激光測距的單元，能夠直接給出與(yu) 其對應的距離信息。上世紀90年代後期，美國麻省理工學院林肯實驗室（MIT/LL）用蓋格模式下的雪崩光電二極管焦平麵陣列（GM-APD FPAs）作為(wei) 麵陣三維成像激光雷達的探測器,其陣列的規模日益增大，從(cong) 4×4、8×8到128×32乃至256×256。2003年MIT/LL對地麵目標進行了機載三維成像試驗和機載植被穿透實驗，實驗表明采用焦平麵探測器的麵陣式三維成像激光雷達可以快速獲取目標三維圖像，有效地識別林中隱蔽的坦克。

2018年，中國科學院光電技術研究所提出了基於(yu) 偏振調製的激光三維成像方法，利用EMCCD相機作為(wei) 探測器，提高了係統的探測靈敏度。同時，利用偏振調製技術從(cong) EMCCD拍攝圖像的灰度信息得到脈衝(chong) 飛行的時間，從(cong) 而實現距離的測量。該係統僅(jin) 需發射一次脈衝(chong) 即可獲得一幅三維圖像，因而可以用於(yu) 高速運動平台或高動態目標的三維成像。

麵陣三維成像雖然成像速度快，不需要掃描結構，但是它將係統接收的回波功率平均分布到每個(ge) 探測像元上，探測像元越多，分散到每個(ge) 像元上的回波功率就越低，因此麵陣成像係統的測距範圍遠小於(yu) 單點掃描測距係統，一般僅(jin) 適用於(yu) 較近距離的成像探測。

激光雷達三維成像係統與(yu) 傳(chuan) 統的被動相機相比不僅(jin) 可以獲得目標的強度信息還有更加豐(feng) 富的距離信息；與(yu) 微波雷達成像係統相比又具有全天時、測量精度高和分辨率高的特點，因而在現代成像領域發揮著越來越重要的作用。隨著現代科技和社會(hui) 的發展，相信三維成像激光雷達在未來會(hui) 有更大的應用前景！