跟着人工智能的开展，轿车自动驾驭不再是幻想中的场景，你知道轿车是怎么看清周围的环境，完成自主驾驭吗？这就不得不说到机器人的“眼睛”——三维成像激光雷达。激光雷达望文生义，便是一种凭借激光对物体间隔进行丈量的自动勘探遥感设备，与微波雷达相似，人们最早是从蝙蝠身上找到的创意。激光雷达与它们比较测距精度更高，而且能够看到物体愈加细节的特征，因而在日子中有着十分广泛的使用。
上世纪六七十年代，发达国家就现已开端了激光雷达在三维成像范畴的研讨。假如把激光雷达对物体的成像比作盲人摸象，那么咱们能够把“摸象”的进程分红两步：首先是知道“象”的方位和间隔，然后经过在“象”身上不断探索来确认“象”的姿态。而这也就对应着三维成像激光雷达作业的两大部分：激光间隔丈量进程和激光三维成像进程。
激光雷达的测距办法有哪些呢？
就像咱们所熟知的那样，旅程=速度×时刻，激光雷达的测距进程也离不开这个公式。在空间中，激光的飞翔速度是已知的3×108 m/s。现有的激光雷达测距办法有很多种，除了直接丈量激光脉冲飞翔时刻的办法，还能够经过对发射激光信号的起伏、频率等参数进行调制来直接的获取方针的间隔信息。
使用激光雷达进行间隔丈量，针对不同的使用场景，咱们要对症下药。
“激光测距里的千里眼”——脉冲激光测距法
脉冲激光具有峰值功率大的特色，这使它能够在空间中传达很长的间隔，所以脉冲激光测距法能够对很远的方针进行丈量。很远是有多远呢？现在人类历史上最远的激光丈量间隔是地球和月亮之间的间隔，他们选用的便是脉冲激光测距法。自2019年6月以来，我国天琴方案团队现已屡次成功完成地月间隔的丈量，经过对脉冲飞翔时刻的准确计时，得到地月间隔在351,000 km到406,000 km（椭圆轨迹）之间动摇。
脉冲激光测距是一种开展十分红熟的测距体系，不只能够用来对远方针勘探，还能够用在数公里甚至数十米丈量场景下。现在的轿车自动驾驭中也大多选用这种办法，其测距精度能够到达厘米量级，这对大部分的使用场景现已满意。
“明察秋毫”的相位激光测距法
对那些对测距精度要求较高的使用场景，如“空间交汇对接”中最终的挨近段等，厘米级的测距精度现已不能满意它们的要求，这时候需求用相位激光测距的办法来丈量。
相位激光测距发射的是经过了调制的接连激光信号，经过丈量回波信号与发射信号之间的相位差来确认方针的间隔。与脉冲激光测距比较，相位式激光测距法有更高的测距精度，其测距精度能够到达毫米级。可是由于相位式测距发射的激光为接连波，这使得它的均匀功率远低于脉冲激光的峰值功率，因而无法完成远间隔方针的勘探。咱们日子中常用的手持式激光测距仪大多都是选用相位激光测距的办法。
“追着你测”的调频接连波激光测距法
假如方针是运动的，除了间隔，咱们还想知道方针的速度时，该怎么办呢？跟着航天技能的开展，确保航天器能够安全的软着陆成为一个重要的问题。单次脉冲激光测距和相位测距法只能取得方针的间隔信息，若要取得其速度至少需求两次丈量成果并结合两次丈量的时刻间隔来核算。而这样核算出来的均匀速度的精度远低于激光多普勒测速雷达的测速精度。
调频接连波激光测距办法能够处理这个问题，它不只能够测距，还能够测速，因而能够使用于相对运动速度较高的方针测距。美国国家航天局NASA于2006年提出的用于重返月球和勘探火星的自主着陆和妨碍躲避方案（ALHAT方案）正是选用了这种测距办法，该雷达于2008年和2010年进行了飞翔试验，取得了不错的效果。
激光雷达是怎么成像的？
“盲人摸象”走完第一步，咱们现已成功的找到了“大象”的方位和间隔，下一步咱们该怎么知道“大象”的姿态呢？这便是激光雷达的成像进程要处理的问题。简略的了解，激光雷达三维成像其实便是在测出方针各点间隔的基础上，一起取得每个点与雷达之间的水平角和俯仰角，这样咱们就得到方针三维信息了。依照方针各点三维信息的获取办法，激光成像体系主要有扫描式激光成像和面阵式激光成像。
“让激光动起来”的扫描三维成像
扫描式激光成像办法现在现已适当老练，在地势丈量、工程建造，轿车导航范畴有着十分广泛的使用。它由单点激光测距合作快速光束扫描器材来完成对方针上各点间隔信息的获取，再将这些间隔信息与该点对应光束指向的方位角和俯仰角结合得到方针的间隔-视点-视点图画(Rang-Angle-Angle)，又称为三维图画。
美国国家航天局NASA为丈量冰盖质量平衡、冰盖高度和海冰厚度以及陆地地势和植被特征等研发了ICESat星载激光雷达成像体系。ICESat于2003年1月13日发射成功，它在激光测距的基础上，使用卫星渠道的运动，完成对地表的单点扫描成像。在轨作业7年后，ICESat于2010年完成了对地球表面绝大部分地区的激光测绘作业。
扫描三维成像也被广泛的用在轿车自动驾驭里。为了进步扫描的速率，市面上的车载激光雷达往往选用发射激光阵列的办法进行扫描成像，这也被称为多线束成像。其间Velodyne公司以360°旋转的多线束激光雷达为主要产品，扫描线数到达了16线、32线及64线，是机械旋转加多线扫描成像的典型代表，技能较为老练。
“一眼就能看穿你”的面阵三维成像
除了这种扫描遍历方针的成像办法，有没有其他愈加快捷，“啪”的一下就能得到方针三维信息的成像办法呢？
有！
面阵式激光成像便是为此发生的一种快速成像办法。比较于扫描式激光成像需求逐点扫描测距的办法，面阵式激光成像它仅需发射一次激光脉冲即能够得到一整幅三维图画。假如把扫描成像的办法比效果手指探索方针全貌，那么面阵成像就像是用巨大的手掌直接掩盖方针。一起，由于没有扫描结构，所以面阵式体系整机结构愈加紧凑，体积更小。依照勘探器的不同，面阵三维成像大致能够分为APD阵列和CCD相机两种勘探办法。
APD阵列的每个像元都是一个单点激光测距的单元，能够直接给出与其对应的间隔信息。上世纪90年代后期，美国麻省理工学院林肯试验室（MIT/LL）用盖格形式下的雪崩光电二极管焦平面阵列（GM-APD FPAs）作为面阵三维成像激光雷达的勘探器,其阵列的规划日益增大，从4×4、8×8到128×32甚至256×256。2003年MIT/LL对地面方针进行了机载三维成像试验和机载植被穿透试验，试验标明选用焦平面勘探器的面阵式三维成像激光雷达能够快速获取方针三维图画，有效地辨认林中荫蔽的坦克。
2018年，中国科学院光电技能研讨所提出了根据偏振调制的激光三维成像办法，使用EMCCD相机作为勘探器，进步了体系的勘探灵敏度。一起，使用偏振调制技能从EMCCD拍照图画的灰度信息得到脉冲飞翔的时刻，然后完成间隔的丈量。该体系仅需发射一次脉冲即可取得一幅三维图画，因而能够用于高速运动渠道或高动态方针的三维成像。
面阵三维成像尽管成像速度快，不需求扫描结构，可是它将体系接纳的回波功率均匀散布到每个勘探像元上，勘探像元越多，涣散到每个像元上的回波功率就越低，因而面阵成像体系的测距规模远小于单点扫描测距体系，一般仅适用于较近间隔的成像勘探。
激光雷达三维成像体系与传统的被迫相机比较不只能够取得方针的强度信息还有愈加丰厚的间隔信息；与微波雷达成像体系比较又具有全地利、丈量精度高和分辨率高的特色，因而在现代成像范畴发挥着越来越重要的效果。跟着现代科技和社会的开展，信任三维成像激光雷达在未来会有更大的使用远景！
来历：中国科学院光电技能研讨所
