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激光雷达的原理与应用概述

发表时间:2022-10-08 02:56:08 来源:华体会体育app 作者:华体会体育

  雷达(英文Radar的音译,源于radio detection and ranging的缩写),意思为无线电探测和测距,发射电磁波对目标进行照射并接收其回波,由此获得目标的距离、速度、方位、高度等信息。

  激光雷达即激光探测及测距系统LiDAR(Light Detection and Ranging),是一种通过发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。

  用激光器作为发射光源,采用光电探测技术手段的主动遥感设备。激光雷达是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测方式。由发射系统、接收系统 、信息处理等部分组成。

  激光以波长短、准直性高的性能优势,广泛应用在测绘、气象监测、安防、无人驾驶等领域。

  激光雷达自1960年作为一种全新的测量工具发展至今,到三维扫描和无人驾驶上的应用,蕴含着巨大的商业价值。

  向被测目标发射探测信号(激光束),然后测量反射或发射信号的到达时间、强弱程度等参数,以确定目标的距离、方位、运动状态及表面光学特性。

  从公式可以看出精度取决于时间,所以对接收装置的要求很高。如果做到1cm的精度,可以推出对时间的测量精度达到0.067ns。

  接收单元,接收光学系统、光学虑光装置、光电探测器。接收反射的激光信号,即回波信号

  激光雷达融合激光、大气光学、雷达、光机电一体化和信号处理等诸多领域技术,下面逐一介绍各关键技术

  考虑因素包括:波长、大气传输特性、功率、光束截面、发散角、信号形式、平台限制(体积、重量和功耗)、对人眼安全程度、可靠性、成本和技术成熟程度等

  探测器:能把光辐射转换成一种便于测量(电压或电流)的物理量器件。有如下关键参数

  适合于激光雷达的光电探测器主要有PIN光电二极管、硅雪崩二极管(Si-APD)等

  PIN光电二极管:频带宽(可达10GHz)、灵敏度高、线性输出范围宽、噪声低

  硅雪崩二极管(Si-APD):超低噪声、高速(0.1nm)、高互阻抗增益,0.6-0.9μm

  和直接探测相比,多了一路本振激光输出,平衡探测器起到光混频器的作用,它响应于信号光和本振光的差频分量,输出一个中频光电流

  各种激光器发射的激光束并不是绝对平行的,通常有几个毫弧度(mrad)发散角,到达远处时光斑直径很大。

  通过理想的透镜系统,可以改变发射光束的发散度、波束宽度和截面积,总功率保持不变。

  发射光学系统,也称为发射光学天线,一般由准直镜、扩束镜(望远镜光学系统)和辅助光学系统组成。

  需要根据激光器类型(如激光二极管、固体激光器、光纤激光器或气体激光器)及其输出参数二具体设计。

  为了尽可能地将目标发射回来的激光能量会聚到探测器上,而且适当限制接收接收视场,减小杂散光的干涉,提高接收机的灵敏度和信噪比。

  分子吸收具有非常强的光谱选择特性,其中水蒸气、二氧化碳和臭氧是主要吸收分子

  对于激光雷达来讲,常用的位于大气窗口的波长有~1.5μm,~1μm,0.85μm,和0.78μm波段

  在近地大气层常见以下几种大气光学状态:烟雾雨雪等,需根据经验公式推算激光衰减规律。

  也称为立方角锥棱镜,实际上它是由3个镀有反射膜且互相垂直的反射面构成的四面体,相当于是从一个立方体切下来的一个角

  出射光与入射光平行,但方向相反,属于合作目标,广泛应用于月球和卫星的激光定位、宇宙飞船的对接系统及大地测量

  是指散射光强遵循朗伯余弦定律的表面,确切地说,从材料表面任何给定方向上反射的光强(单位立体角通量)正比于该方向与表面法线之间夹角的余弦

  利用MEMS微振镜(MEMS指的是微机电系统),把所有的机械部件集成到单个芯片,利用半导体工艺生产

  其原理与相控阵雷达一样,通过调节发射阵列中每个发射单元的相位差来改变激光的初设角度

  可控性好:可以在感兴趣的目标区域进行高密度的扫描,这对于自动驾驶环境感知非常有用

  易形成旁瓣,影响光束作用距离和角分辨率,干涉效果易形成旁瓣,使得激光能量被分散

  falsh型激光雷达单次探测可覆盖视角内所有方位,一次性实现全局成像,故也称为闪烁式激光雷达

  大气后向散射信号:激光冒充在照射一定厚度传播介质时所有其的向后散射干扰信号。

  XYZ:方位信息,Intensity:反映物体反射特性,蓝→红表示物体反射率→高

  同一种材料的物体呈现接近的颜色,丰富Intensity信息有助于判断周围环境,比如车道线

  难题:相同表面特性的物体假设为漫反射其反光功率也随着距离的平方而线性衰减,如何保证同一类物体点云中呈现的Intensity保持一致?

  激光雷达因为其性能优势,在无人驾驶、地图测绘、无人机、机器人、安防、气象监测领域有着广泛的应用

  激光雷达是无人驾驶汽车的关键核心部件之一,有效提供车辆决策与控制系统所需的高精度地图和定位避障功能,具有不可替代的作用

  相对于传统测距传感器,激光雷达在测量精度、测量距离、角分辨率、抗干扰能力等方面具有巨大的综合优势。

  激光雷达技术难点集中在光学系统设计、成像扫描、控制系统、多线单元装调、信号/数据校准等环节。

  作为无人驾驶系统的关键组件,激光雷达发展方向将是细分化,适用不同场景做到最高性价比,固态和机械式都将依靠各自的优势占据自己的市场。1B0