LiDAR传感器（一）-概述LiDAR(light detection and ranging)激光雷达是一种非接触式探测和测距方法。该技术通过发射光脉冲击中附近物体后测量反射回波信号的特性来精确地计算每个物体的距离。LiDAR传感器可以用作点状距离测量系统，用来实现目标的距离测量（一维结果）；也可以让测量光束在某一平面上旋转或者移动，用来获得距离和角度数据，从而提供测量目标的二维结果；也可以通过采用多个传感器，形成同时扫描多个层面的传感器阵列，从而测得X，Y，Z的点云数据（三维结果）。 LiDAR被广泛应用在地形建模（例如：立体制图、采矿、林业、考古学、地形测量），近年来Lidar也被应用在无人驾驶以及消费电子中。
LiDAR系统根据载体的不同，分为星载、机载和地面三种模式。 其中，星载和机载LiDAR多用于中、小比例尺地形测量，如1:50000、1:100000等地形图绘制等。 机载LiDAR系统沿航线采集地面点三维数据之后，可生成LiDAR数据影像和地面高程模型。在不同的实地条件下， LiDAR系统的平面精度可达到0.15 至1米，高程精度可达到0.1米，间隔可达到2-12米。机载LiDAR可应用于快速获取大范围林业信息，如树木定位、树高计算等；也能够应用于矿业领域，快速获取矿山的复杂表面和高危区域的空间三位信息，为矿山地形测量和数字矿山的建设提供了新的技术手段。 2003年，NASA根据早先提出的采用星载激光雷达测量两极地区冰面变化的计划，正式将地学激光测高仪列入地球观测系统中，并将其搭载在冰体、云量和陆地高度监测卫星上发射升空运行。 而地面LiDAR适合更精细、更高精度的复杂地物量测，如古建筑的三维城市建模、复杂场馆测量等。
LiDAR在消费电子中的应用主要分为以下三部分。 AR应用：凭借激光雷达快速测距特性，可让设备快速进入AR应用环境，减少等待时间；同时由于激光雷达更精准的测距表现，可以让AR应用虚实结合更逼真，提供更良好的遮挡表现等等； 优化拍照：由于可以测量环境距离，就可提升低光环境的自动对焦速度。 3D扫描：基于高精度测距，可以呈现细节更良好的3D扫描效果。搭载有LiDAR的智能手机和平板电脑成为3D扫描的工具，比如用于家庭布局的扫描从而对家庭装修做出优化，或者将扫描的风景应用于社交媒体或者新闻业领域。
在环境感知中，每一种传感器都有独特的优势和劣势。例如，毫米波雷达可靠性高，可以探测物体距离与速度，不受天气影响可全天候全天时工作，但分辨率不高，不能区分人和物；而摄像头很高的分辨率，能够识别颜色和字体，有助于检测道路标志、交通信号灯以及行人，但受黑夜、强光影响较大；激光雷达则能够提供三维感知信息，对环境的重构能力强，可进行实时定位和高精度障碍物的分类和检测，但受天气环境影响大。这三种传感器各有优劣，既难以互相替代，又缺一不可。随着自动驾驶不断向更高智能化、自动化等级发展，集成在汽车上传感器数量和种类将不断增加，业界普遍认为“传感器融合（sensor fusion）”可显著提高系统的冗余度和容错性，从而保证决策的快速性和正确性，是实现高度自动化驾驶安全性的关键。 LiDAR传感器（二）-构成LiDAR(light detection and ranging)激光雷达是一种非接触式探测和测距方法。该技术通过发射光脉冲击中附近物体后测量反射回波信号的特性来精确地计算每个物体的距离。它是由以下部件组成的传感器系统；激光器(laser)发出特定波长的激光，经过旋转机构(scanning)实现区域的快速扫描，反射回来的激光经过滤光片(spatial & spectral filter)滤除环境干扰，最终通过光电检测器（photodetector）将光信号转换成易测量的电信号进行检测。 LiDAR一般由以下几个部分构成
1. 激光器(laser) 激光器是激光雷达中的激光发射装置。常用的激光器有以下三种类型 激光二极管是常用的激光源，其结构紧凑，通常情况下其发出的波长为905nm。激光二极管通常用在激光测距仪中，但是由于其发射能量有限，采用此激光器的LiDAR的测试范围为几百米。 光纤激光器在近红外区可以产生1064nm(镱)和1550nm(铒)的激光，光纤激光器结构紧凑而且发射能量比激光二极管更高，可达到几百微焦。 Nd:YAG晶体激光器可以同时实现高发射能量(几毫焦)和短的脉冲时间(ns级)，非常适合用于dTOF的长距离测量。最常见的发射频率对应的激光波长为1064nm，也可以将频率翻倍(2倍或3倍)来得到532nm(可见光)波长的激光和355nm(UV)波长的激光。不过，此类激光器的体积会更大而且必须有主动散热的器件。 激光器的选择需根据使用场景来选择，例如用于林业探测的机载Lidar，发射波长的选择取决于大气透射率以及植被反射率；而测深测绘通常采用蓝绿色波长的激光，该波长对水的穿透性有利于准确的测量。同时还需要考虑整体装置紧凑性、稳定性、发射能量、人眼安全性等方面的要求。 在林业测量领域，从energy link budget(确定的发射能量下，收到的信号的能量大小)考虑，由于大气的散射率以及植物对光的吸收率都和波长强相关，近红外的波长比UV波长的光更有优势。 在LiDAR使用过程中，太阳光或者其他热辐射也会直接或通过散射进入激光检测器，形成背景噪声。环境热辐射在近红外区的占比很低，因此1550nm的激光器受背景噪声的干扰最小。 EN 60825-1 标准规定了眼睛允许的极限激光辐射值，该值随波长的变化而变化。波长在310nm至400nm,以及高于1400nm时，眼睛能承受的最大激光辐射值更高。 2.旋转机构（sacnning） 为了对大范围区域进行迅速的激光扫描，通常需要使用旋转机构来改变激光的测量方向。最终得到的点云密度和旋转机构的旋转速度以及激光器的repetition frequency有关。 不同的旋转机构得到的点云扫描轨迹也不一样。以机载LiDAR为例，简单的旋转镜或者是摆动镜无法得到均匀的点云扫描轨迹，而旋转多面镜和两轴镜可以得到均匀的点云扫描轨迹。 3. 滤光片(spatial & spectral filter) 由于白天环境光在全波长范围内均会产生背景噪声，可以通过滤光片在空间和波长上对背景噪声进行滤除。 spatial filter可将后续激光检测器的视场精确地限制在激光束行进的空间内。 spectral filter用来约束进入激光检测器的光的带宽，从而滤除背景噪声，spectral filter的带宽一般在0.5-10nm的范围内。当入射光线不是垂直入射spectral filter时（设定垂直入射时θ=0），由于偏移角度的影响，波长会发生偏移，λc,θ=λc,θ * cosθ。由于可通过滤光片的波长带宽有限，因此滤光片的入射角度会有限制，角度限制为Δθ=2(Δλ/λc)；Δλ为滤光片的带宽。例如；1nm带宽的近红外(1064nm)滤光片，入射角度变化只允许在±1.5°。 4. 光电检测器（photodetector） 激光检测器检测从目标物体反射回来的激光脉冲，将光信号转换成易测量的电信号。 不论是雪崩光电二极管(检测近红外波长)，还是光电倍增管(检测可见光/UV光)，都会通过放大器放大信号（每入射一个光子，可以产生10-10000个电子）。需要用放大器放大信号的原因是避免太小的模拟信号在后续的ADC转化过程中淹没在了量化噪声中。 光电检测器的选型也会影响LiDAR的空间分辨率，当光电检测器需要的检测时间长时，空间分辨率会降低。 总结如下： |
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