主题：【已应助】激光雷达，求解

摘要:简要介绍了成像激光雷达技术的应用特点, 阐述了成像激光雷达可采用的几种成像技术及部分单元技术包括激光器和可用的扫描系统技术。概括了成像激光雷达在军事和国民经济中的应用。

关键词:激光雷达;成像技术;二元光学;扫描技术

1引言

激光雷达的研究最早是从军事应用中开始的，其中一个重要应用是目标识别。主动成像激光雷达系统可以直接获得目标的轮廓和位置信息(即强度像和距离像)，可以很容易地识别目标。分为扫描成像激光雷达和非扫描成像激光雷达两种。在军事、航空航天、工业和医学等领域有广泛的应用。

本文将结合成像激光雷达的系统要求和技术指标，分别论述成像激光雷达中扫描成像和非扫描成像的优点和局限性，讨论激光器、探测器和扫描器等元器件的选取及其理论依据。最后将简要介绍主动成像激光雷达技术的主要应用。



2成像技术

采用直接探测的成像激光雷达系统一般可采用三种技术:

(1)采用单元探测器，每次只探明一个像素大部分成像激光雷达的研究都是采用这种技术，原因是探测器技术和激光器技术都比较成熟。激光器发出一个脉宽很窄的脉冲(一般为ns量级)，经过测量光波的往返时间，确定目标的距离。扫描光学系统(扫描器)将发射脉冲指向目标，回波强度反映目标的反射率特性。扫描器按照一定的扫描图样如光栅扫描将光束指向目标上的不同位置，这样，就可以通过接收系统得到目标的角度-角度-强度图像和角度-角度-距离图像(Angle-Angle-Range-AAR)，AAR又称三维图像。这种成像技术要求激光的重复频率要高、脉冲宽度要窄，单脉冲能量要大。

(2)采用面阵探测器，每次探测所有像素一般来说，成像激光雷达存在着高成像速率和高分辨率(高像素数)的矛盾，即不可能使成像分辨率达到很高的同时，还使成像速率也达到很高。这种矛盾对采用单元探测器的激光雷达尤为突出。因此，必须折衷考虑两者的关系。

在成像像素数要求很高而成像速率要求不很高的情况下，可采用这种技术。通过控制发射激光，使发射光能同时覆盖整个目标，然后用一个二维阵列探测器接收回波信号。这种方法一般需要对发射光进行调制，对接收信号进行解调，才能测量到距离信息。

这种技术的优点是不需要扫描器，缺点是要求激光器发射功率要足够大，无法采用高灵敏度的APD探测器。


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(3)采用阵列探测器，每次探测几个像素这种技术可以作为上述两种技术的折衷。将发射光分为x束，同时照射目标上x点。从x点反射回的信号投射到对应的x元探测上，通过处理可得到x个像素数的距离信息和强度信息。通过扫描器扫描，直到探测到所要求的像素数时，成像显示。

这种技术较为新颖，比较有发展潜力，难度也较大。目前这项研究才刚刚起步，用于这项研究的高灵敏度阵列APD探测器线列维数可达32维，面阵APD可达8×8。将一束光分为几束光同时照射目标，用相同维数的探测器探测对应的回波信号，就可以实现高速高分辨率成像。这项研究难度较大，对扫描器的要求较高，信号的探测也较为困难。

以上是三种不同的成像技术，必须根据实际要求来选择不同的方法。

3单元技术

3.1 发射机

扫描和非扫描激光雷达对发射机(激光器)的要求不同。扫描激光雷达要求激光器在很短的时间内照射目标上的一个较小的范围，要求激光器有较高的重复频率。二极管泵浦固体激光器可满足这些要求。灯泵和化学泵浦的激光器输出激光峰值功率很高，但是脉冲重复频率较低。闪光灯泵浦的激光器价格低，效率较低，比较适合于非扫描系统。

3.1.1二极管激光器

单个二极管激光器的输出功率很小，将多个二极管“堆积”便可产生较高功率的激光输出，但是此时激光器的输出光斑并不是圆形光斑，而是一个如10°×30°的光椎。必须很好地对输出激光进行准直而不损失能量。二极管激光器的输出激光是一个比较宽的光源，需要一个长焦距的透镜准直，将其压缩成一个窄光束。

通过增加二极管激光器电源的工作电流，可以增大激光器的输出功率。但增大工作电流，就会增大损害激光器的几率，减小激光器的工作寿命，或者直接损坏激光器。

3.1.2 二极管泵浦固体激光器

二极管泵浦固体激光器在增加脉冲重复频率的同时，脉冲能量会降低，而脉冲宽度会增加，会导致脉冲峰值功率下降。如美国相干公司的DPY501QⅡ型激光器，脉冲宽度会从低重复频率时的30ns增加到30kHz时的80ns。而能量会从800LJ降到200LJ(30kHz时)。

3.1.3 闪光灯泵浦固体激光器

目前闪光灯泵浦的固体激光器的脉冲峰值功率最大可达到12，500kW，这要远远大于二极管泵浦固体激光器的输出功率。脉冲宽度很窄，脉冲重复频率在90Hz时的脉宽可达到6ns。激光器的体积和电源也都很小。


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3.2 扫描系统

目前，可用于激光雷达的扫描器可分为三种:力学、电学和二元光学扫描器。力学扫描器如转镜、摆镜、振镜需要反射镜转动或摆动等才能达到光束偏转的目的。

力学扫描系统能够进行大角度范围扫描。转镜可以用很高的扫描速度进行扫描，但是只能以固定的扫描图样扫描。需用两个转镜才能组成一个二维扫描系统。振镜由于惯性的影响，扫描速度不会很高。力学扫描系统体积较大、笨重，耗电量大。

声光扫描系统扫描速度可以很高，光束可以指向扫描空间中的任一点。声光扫描器不包含任何机械运动部分。缺点是，扫描角度小。一般在同几十分之一毫弧度量级，而且光透过率低，光束质量差，耗电量大，光学系统还必须冷却处理。

液晶位相阵列也可以用于进行光束扫描，工作方式类似于位相阵列雷达。该扫描系统不包含运动部分，可以将光束指向扫描空间中的任意点，扫描角度一般可达±4.5°。缺点是，扫描速度很慢，不能进行连续扫描，而是将光束指向空间中的离散点，切换扫描方向一般需要几毫秒。

二元光学是光学技术中的一个新兴的重要分支，它是建立在衍射理论、计算机辅助设计和微细加工技术基础上的光学领域的前沿学科之一。利用二元光学技术可制造出微透镜阵列灵巧扫描器。一般这种扫描器由一对间距只有几微米的微透镜阵列组成，一组为正透镜，另一组为负透镜。准直光经过正透镜后开始会聚，然后通过负透镜后又变为准直光。当正透镜阵列和负透镜阵列横向有相对移动时，准直光的方向就会发生变化。若两个微透镜阵列在水平方向发生相对移动，则输出光就会有水平方向发生偏转。透镜阵列之间有很小的相对移动，就会产生几度的光束偏转，透镜阵列越小，要求的相对移动也就越小。由于这种微透镜阵列的重量很小，产生光束偏转所需的移动也很小，因此，二元光学扫描器的扫描速度可以达到很高(>1kHz);扫描图样可以通过编程任意改变;扫描器体积小;可以很容易将一束光分成多束光。二元光学扫描器有两个主要缺点，即扫描角度较小(几度);透过率较低，若要增大透过率，则价格就会很高。

4应用

成像激光雷达由于具有极高的角度分辨率和距离分辨率，可以同时成目标的强度像和距离像，还可以成高分辨率的三维图像，所以很适合于在军事上发展智能武器。在军事中的应用很广，如小型灵巧炸弹和巡航导弹的精确制导;巡航导弹的地形跟随和障碍物回避、导弹下视测高;直升机避障;飞行器导航;水下鱼雷探测和识别;战场中敌我识别;目标跟踪;目标瞄准;导弹防御等。

二极管泵浦固体激光技术大大推动了成像激光雷达技术的发展。随着高效率、高重复频率、高输出功率的二极管泵浦固体激光器技术日益成熟，采用二极管泵浦固体激光器的成像激光雷达体积更小、价格更低、商业价值更高。二极管泵浦固体成像激光雷达在工业中的应用越来越广泛，潜在的应用如机器人视觉;智能高速公路;障碍物回避;产品缺陷检测;产品分类等。


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5结束语

成像激光雷达技术可以成高分辨率的目标图像，在军事和工业中有着极高的应用价值。成像激光雷达系统的研究是一项很复杂的技术，仍有许多关键技术需要解决。在应用中需要考虑体积、重量、分辨率和成像速率和作用距离和价格等多方面的因素。根据成像激光雷达目前的发展趋势，可以肯定的说，在不久的将来，成像激光雷达会在军事和国民经济中发挥越来越重要的作用。

机械式激光雷达

　　机械式激光雷达是最早应用于自动驾驶的激光雷达类型，以Velodyne推出的几款产品最为知名。其特点是激光发生器竖直排列并可以360°旋转，通过旋转对四周环境进行全面的扫描。

　　机械式激光雷达最大的优点是可以通过物理旋转进行3D扫描，对周遭环境进行全面的覆盖形成点云。

　　而缺点也很明显，一个是高频的转动和复杂的机械结构致使其平均的失效时间仅1000-3000小时，难以达到车规级设备最低13000小时的要求。

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　　另一个问题是机械式激光雷达需要布置在车身最高点避免遮挡，对车辆造型造成很大的影响，凸起的雷达也较容易受损。

　　而在车顶布置激光雷达及其他设备以及加强结构，对车辆重心也容易带来影响。2017年，Uber一辆自动驾驶测试车在自动驾驶状态与对向车辆发生碰撞导致侧翻，被认为与车顶过中的设备带来的重心提高有关。

　　另外，机械式激光雷达复杂的结构也不易控制成本，高昂的售价也是影响其广泛装备量产车型的一大因素。目前尚没有达到车规并搭载在（准）量产车型的经销商激光雷达问世。

● 纯固态激光雷达

　　针对车规级设备需要在连续振动、高低温、高湿高盐等环境下连续工作的特点，固态激光雷达成为了较为可行的发展方向。相比机械式激光雷达，固态激光雷达仅面向一个方向一定角度进行扫描，覆盖范围有所限制。但取消了复杂高频转动的机械结构，耐久性得到了巨大的提升，体积也可以大幅缩小。纯固态激光雷达主要包括OPA光学相控阵和Flash闪光激光雷达两种。

◆ OPA光学相控阵

　　喜欢军事的朋友应该都听过军机、军舰上搭载的相控阵雷达，而OPA光学相控阵激光雷达的原理与之相似。

　　相控阵雷达发射的是电磁波，同样也是波的一种，波与波之间会产生干涉现象。通过控制相控阵雷达平面阵列各个阵元的电流相位，利用相位差可以让不同的位置的波源会产生干涉，从而指向特定的方向。往复控制相位差便可以实现扫描的效果。

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　　我们知道光和电磁波一样也表现出波的特性，因此同样可以利用相位差控制干涉让激光“转向”特定的角度，往复控制实现扫描效果。

　　OPA光学相控阵激光雷达发射机采用纯固态器件，没有任何需要活动的机械结构，因此在耐久度上表现更出众。

　　但是，OPA激光雷达要求阵列单元尺寸必需不大于半个波长，因此每个器件尺寸仅500nm左右，对材料和工艺的要求都极为苛刻，因此成本也相应的居高不下，目前也很少有专注开发OPA激光雷达的品牌。

◆ Flash闪光

　　Flash闪光激光雷达原理完全不同，他不是通过扫描的方式，而是在短时间内直接向前方发射出一大片覆盖探测区域的激光，通过高度灵敏的接收器实现对环境周围图像的绘制。Flash激光雷达的原理类似于拍照，但最终生成的数据包含了深度等3D数据。

　　由于结构简单，Flash闪光激光雷达是目前纯固态激光雷达最主流的技术方案。

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　　但是由于短时间内发射大面积的激光，因此在探测精度和探测距离上会受到较大的影响，主要用于较低速的无人驾驶车辆，例如无人外卖车、无人物流车等，对探测距离要求较低的自动驾驶解决方案中。代表品牌包括Ibeo、大陆、Ouster、法雷奥等。

● 混合固态激光雷达

　　混合固态激光雷达是前两者的折中方案，相较机械式激光雷达，混合固态激光雷达也只扫描前方一定角度内的范围，而相比纯固态激光雷达，混合固态激光雷达也有一些较小的活动部件。不过混合固态激光雷达在成本、体积等方面更容易得到控制。目前，混合固态激光雷达也有多种解决方案，主要包括MEMS振镜、转镜、棱角等。

◆ MEMS微振镜

　　MEMS微振镜是通过控制微小的镜面平动和扭转往复运动，将激光管反射到不同的角度完成扫描，激光发生器本身固定不动。对于反射的微振镜也有静电驱动、电磁驱动、电热驱动、压电驱动等多种不同的控制方案。

　　由于取消了马达、多棱镜等较为笨重的机械运动设备，毫米级尺寸的微振镜大大减少了激光雷达的尺寸，同时也提高了可靠性。而可以精确控制偏转角度的微振镜的引入可以减少减少激光器和探测器数量，通过控制扫描路径达到等效机械式更多线束激光雷达的覆盖区域和点云密度，极大地降低成本。

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　　也正因此，MEMS微振镜激光雷达会出现信噪比低，和有效距离短等问题。增大镜面尺寸可以有效增加MEMS激光雷达的精度，但最大偏转角度也会因此受限，FOV视场角会更加受限。

　　目前，MEMS微振镜激光雷达的代表品牌包括Innoviz、速腾聚创、先锋等等。

◆ 转镜

　　与MEMS微振镜平动和扭转的形式不同，转镜是反射镜面围绕圆心不断旋转。转镜在功耗、散热等方面有着更大优势。法雷奥推出的全球首款车规级激光雷达就采用了转镜形式。

　　在转镜方案中，也存在一面扫描镜（一维转镜）和一纵一横两面扫描镜（二维转镜）两种技术路线。一维转镜线束与激光发生器数量一致，而二维转镜可以实现等效更多的线束，在集成难度和成本控制上存在优势。

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　　不过转镜方案与MEMS一样存在信噪比低，和有效距离短，FOV视场角受限等问题。目前转镜方案代表品牌包括华为、法雷奥、Ibeo、禾赛、Luminar、Innovusion等。

◆ 棱角

　　棱镜激光雷达也称为双楔形棱镜激光雷达，内部包括两个楔形棱镜，激光在通过第一个楔形棱镜后发生一次偏转，通过第二个楔形棱镜后再一次发生偏转。控制两面棱镜的相对转速便可以控制激光束的扫描形态。

　　与前面提到的扫描形式不同，棱镜激光雷达累积的扫描图案形状状若菊花，而并非一行一列的点云状态。这样的好处是只要相对速度控制得当，在同一位置长时间扫描几乎何以覆盖整个区域。

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　　不过对于高速移动的汽车来说，显然不存在长时间扫描的情况，因此也存在中心区域点云密集。两侧点云相对稀疏的情况。因此采用棱镜激光雷达的小鹏P5选择在车头两侧分别配备一枚激光雷达，保证车头前方区域有密集的点云覆盖。

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　　相比MEMS微振镜和转镜方案，棱镜激光雷达可以通过增加激光线束和功率实现更高的精度和更远的探测距离，不过机械结构也相对更加复杂，体积叫前两者更难以控制，存在轴承或衬套的磨损等风险。目前发力棱镜激光雷达的主要有大疆旗下的Livox览沃，大疆凭借无人机时积累了精密电机制造技术，有信心克服棱镜轴承或衬套寿命的难题。