激光雷达技术背后的科学启示

激光雷达技术背后的科学启示

https://e.sentech.nl/en/news/revealing-science-behind-lidar-technology

激光雷达作为一种光学传感器技术已经成熟。尽管原理很简单，但消费者和B2B市场都花了十年时间才能够使用这项技术。微芯片技术和价格合理的技术使激光雷达成为一种价格合理的检测和测量距离的技术。激光雷达技术的制造商已经使无人驾驶汽车成为可能。

 

激光雷达起源于航空航天工业。激光技术已经被用于测量与下面地形相关的海拔高度有一段时间了。除了汽车制造商之外，其他行业也在接受激光雷达传感器在自动运动应用中的优势。例如，激光雷达用于自动导引车（AGV）和自动移动机器人（AMR）。

激光雷达传感器的生产效率更高，产量更大。这使得它们在应用中的集成成本更高。

专注于将激光雷达和雷达集成在一个紧凑的传感器模块中。传感器融合可以利用这两种检测技术。

激光雷达的历史

激光雷达是在20世纪60年代激光发明后不久产生的。它在阿波罗15号任务中被用来详细绘制月球表面图。“激光雷达”一词最初是LIght和raDAR的组合，但后来它成为了LIght Detection and Ranging或Laser Imaging Detection and Ranging的缩写。

直到最近，光学技术还主要用于大气和气象学的研究，以及航空航天应用，但其他行业现在已经接受了自主运动应用的技术，因为它变得更加精细和便宜。

什么是激光雷达？

激光雷达的原理很简单。光学测量技术有两种应用方式：作为飞行时间激光雷达，测量与物体的距离；作为多普勒激光雷达，用于测量物体的速度。它的工作方式可以与使用无线电波的雷达进行比较。光的波长要小得多，使激光雷达能够探测和扫描较小的物体。

传输的光被目标反射，发送和接收所需的时间用于测量距离。

 

目标还会根据其成分和速度改变透射光的特性。这为激光雷达仪器提供了信息，利用这些信息可以确定物体的成分和速度。

激光雷达使用红外线、可见光或紫外线来扫描物体。它可以检测广泛的材料和物体，如金属和非金属物体、气溶胶、云、化学物质、雨水、石头甚至单个分子。

激光雷达光源的波长因目标而异。光谱范围从250纳米（紫外线）到10微米（红外线）。发射的光被散射反射。

激光雷达测距

飞行时间原理用于确定激光雷达仪器与物体之间的距离。发射器发射光脉冲。接收器使用公式d=（c×t）/（2×n）测量发射和接收反射光子之间的时间，其中d是以米为单位的距离，c是真空中的光速，t是以秒为单位的持续时间，n是空气的折射率。

激光雷达速度测量

激光雷达还可以确定移动物体的速度。该仪器利用多普勒效应来实现这一点。当波源（或接收器）相对于介质移动时，就会发生这种物理现象。

对于光源，适用以下公式：v=（T1/T2-1）×c/n，其中T表示波周期。

最近的发展是激光雷达在大气研究中的高级应用。反射光成分的变化提供了关于目标的信息。这些应用程序用于测量空气污染，例如，基于分子对光的吸收。这种类型的激光雷达被称为DIAL（差分吸收激光雷达）。

 

激光雷达的工作原理

激光雷达可以大致分为两种检测方法：非相干或直接能量检测，以及相干检测。非相干系统测量反射光中波高（振幅）的变化。相干系统测量波长（相位）的差异，并用于测量速度。

光脉冲系统

产生光脉冲有两种系统：微脉冲激光雷达系统和高能激光雷达系统。

微脉冲系统产生间歇性的能量爆发。它们的产生得益于激光技术的进步，再加上微处理器不断增长的计算能力。这些系统消耗的能量要少得多，对人和动物来说都是安全的。

强大的高能系统消耗更多的能量，主要用于大气研究。

激光雷达传感器的组成

激光雷达传感器通常由四个部分组成。

光源

这可以是以脉冲形式发射光的激光器、LED或VCSEL二极管。

扫描仪和光学

这些部件通过例如振荡反射镜和/或非球面透镜发射光。透镜将反射光聚焦在光电探测器上。

光电探测器和电子设备

光由光电检测器接收，例如固态光电二极管，这取决于要测量的目标。图像细节以电子方式处理。

定位和导航系统

移动激光雷达系统需要GPS系统来确定传感器的确切位置和方向。

不同的激光雷达系统都有相当的输出，即可以投影到地图或运动图像上的3D点云。通过这种方式，传感器生成其周围环境的详细图像，但它也可以提供附加信息。

还有纯用于探测和测量距离的激光雷达系统。像Leddartech这样的制造商已经完善了这一专业化，使该系统适用于激光雷达无人机、AGV和无人驾驶汽车。

 

激光雷达传感器应用

激光雷达之所以受欢迎，是因为科学家可以准确、高分辨率地绘制水下、水面和空中的世界图。直到最近，激光雷达还是一种主要用于研究的昂贵产品，其商业应用仅限于航空航天行业。

由于成本的降低和技术进步，特别是在尺寸、可靠性和耐用性方面，激光雷达也可用于广泛的商业应用，如自动驾驶汽车。

农业：探测和自主运动

激光雷达可以以多种方式应用于农业：作为无人机的测量仪器，绘制地面地形图，并将这些数据与作物产量相结合（以确定哪些地区需要更多关注）；或者用于棚屋和田地内及其周围的自动导引车（AGV），以便它们能够检测周围的物体和障碍物。

生物学与保护

激光雷达帮助政府、科学家和非政府组织绘制和保护自然保护区的地图，例如通过测量树木高度、生物量和生物多样性。

气象和空气质量

激光雷达在激光发明后首次应用于气象学。几十年的发展已经产生了先进的激光雷达系统，可以测量广泛的气象条件。例如，现在可以绘制云层图，测量风速，研究气溶胶，确定空气成分。

通过这种方式，激光雷达有助于研究气候和温室气体、空气污染、火灾、空气湿度和空气的其他方面。

 

使用激光雷达的自动驾驶

谷歌和英特尔等多家汽车制造商目前正在开发无人驾驶汽车。根据客户经理Ad Mulders的说法，每个制造商或开发商都有自己对技术援助的偏好：

特斯拉使用雷达，谷歌将雷达与激光雷达相结合，英特尔完全依赖摄像头技术。所有制造商的共同点是将视觉（摄像头）图像与传感器信息相结合。

为了保证在任何情况下的安全性和可靠性，这种组合是必要的。如果一项技术因某种原因失败，其他技术将继续工作，并将进行干预以确保安全。

在这一领域，激光雷达用于探测物体并确定车辆周围的空间大小。这是关于最广义的车辆。激光雷达也用于仓库、农业机械等的无人驾驶叉车。

激光雷达的发展：更小、更便宜

激光雷达系统的高成本和高尺寸曾经是无人驾驶汽车商业应用的障碍。

这种情况已经改变了。得益于先进且价格越来越低的微芯片技术，Velodyne、Infineon和LeddarTech等多家传感器制造商目前正在开发和生产更小、更实惠的激光雷达传感器。

这使得在微芯片级别制造所有传感器组件（激光器、光学器件和处理器）成为可能。非球面透镜消除了移动反射镜来分散光线的需要。

激光雷达传感器制造商

英飞凌正在研发一种微型激光雷达系统：MEMS激光雷达，它包含一个微机电（MEMS）反射镜。这种先进的镜子是由荷兰公司Innolucence发明的。预计一个射程为250米、扫描能力为每秒5000个测量点的MEMS激光雷达传感器的成本将不超过250美元。

2021年初，Velodyne宣布推出一款用于自动驾驶汽车的紧凑型固态激光雷达传感器。LeddarTech是固态激光雷达技术的先驱，已经向市场推出了一种紧凑型激光雷达系统：LeddarVU。整个传感器的重量只有107克。

LeddarTech固态激光雷达领导者

Sentech使用LeddarTech的固态激光雷达为各种客户提供自主移动应用。例如，在农业技术领域，在农业AGV中使用LeddarTech的传感器技术。

据客户经理介绍，这家加拿大传感器制造商是固态激光雷达的先驱。一个很大的技术优势是没有移动部件。这使传感器更坚固，因此适用于极端条件。

另一大优势是，制造商生产模块，可以利用这些模块开发量身定制的传感器应用。

在一份关于激光雷达技术的白皮书中，Leddertech描述了它如何以创新的方式进行探测和距离测量。

传感器融合：激光雷达与雷达相结合的优势

雷达可以探测更远距离的物体，并且可以穿透障碍物。这就是为什么雷达对农用车很有意思，因为它可以探测作物下面的地面。

相比之下，激光雷达提供了更宽的视野和更高的分辨率，可以更好地确定物体的大小和形状。

这就是为什么Sentech正在致力于将激光雷达和雷达融合为一个单一的集成传感器应用程序，以获得这两种传感器技术的好处，并消除其各自局限性的影响。

更多关于无人驾驶汽车的信息

激光雷达作为无人驾驶汽车的一项技术备受关注。Sentech正忙于与LeddarTech和其他传感器制造商一起进一步发展。想了解更多关于自动驾驶是如何通过传感器技术获得动力的吗？

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激光雷达，一种用于虚拟世界的工具

https://www.rtands.com/passenger/lidar-a-tool-for-the-virtual-world/

 

激光雷达（光探测和测距）是遥感的一种形式，它使用激光脉冲以“点”（3D坐标）的形式从表面收集信息。用点云软件对数据进行处理，以形成扫描环境的数字CAD模型。LiDAR调查期间收集的数据和由此产生的3D数字模型可用于分析当前的铁路状况，识别安全风险，并规划新线路和设施的建设。

激光雷达已经得到了广泛的应用并且正在发展。世界各地的运输机构、政府和建筑公司都在使用它来简化流程并增加项目交付量。许多国家在激光雷达的帮助下建造了高效且令人印象深刻的铁路。

 

美铁纽约宾夕法尼亚车站使用激光雷达进行调查。

在美国各地，运输机构经常使用激光雷达系统收集信息。美国大型激光雷达调查项目的一个例子是美铁对纽约宾夕法尼亚车站的调查。该调查在不干扰铁路运营的情况下进行，并从车站的铁路基础设施和地下区域收集信息。

 

使用激光雷达进行SNCF铁路基础设施调查。

法国和印度等国家也使用激光雷达对铁路基础设施进行了调查。法国国家铁路公司（SNCF）使用激光雷达数据生成了一个3D数字模型，以识别安全风险并开发提高安全性的解决方案。印度铁路公司（IR）今年早些时候宣布，它打算使用激光雷达来分析其中央区域的通行权条件。

 

这些只是铁路如何使用激光雷达的几个例子，激光雷达正在迅速成为行业中的通用技术。

激光雷达应用

•计算MAS：一旦从铁路路线（或潜在路线）收集到激光雷达数据，点云处理软件将用于自动计算曲线的MAS（最大允许速度），这对于防止超速情况导致的失控和脱轨至关重要，同时提高乘坐质量和乘客舒适度。

 

•识别路权侵占：偶尔，植被甚至人造结构（围栏、移动的电线杆等）会侵占铁路走廊，造成安全隐患。在没有配备主动警告装置的公铁平交道口，这种侵犯会限制驾驶者对路权的视野，并增加碰撞风险。激光雷达调查可以识别这种侵占行为。一旦找到，对侵占的详细测量有助于缓解。

 

GREX BallastSaver®激光雷达扫描。

•分析轨道和路基条件。激光雷达扫描期间收集的数据提供了详细信息，例如镇流器的退化情况。快速发现问题意味着在轨道状况造成服务中断或更糟的脱轨之前，可以立即解决问题。例如，GREX（Loram公司）开发了一种名为BallastSaver®的基于激光雷达的技术，该技术分析现有的压载剖面，并将其与理想化的剖面进行比较，从而确定该过程中的压载缺陷。

 

GREX BallastSaver®高轨卡车。

激光雷达调查快速且安全。激光雷达系统可以安装在移动的车辆上。对于铁路路权调查，它们可以部署在m/w车辆（轨道几何车、高轨检查车等）上。这意味着系统可以在短时间内调查大范围的区域。铁路运营不需要中断，调查人员也不必因为必须在地面上而面临风险，进行调查所需的人数也减少了。印度铁路公司决定采用激光雷达技术的核心原因之一是限制人类参与铁路调查。

可以在虚拟环境中规划新的铁路线。激光雷达测量可以从周围的土地上收集信息，以规划最有效的铁路路线，同时考虑地形和任何现有的结构或障碍物。激光雷达数据也可以用于评估现有的通行权，以确定新的线路将最佳收敛。一些点云处理*软件允许规划者和工程师在虚拟环境中操作测量区域的3D数字模型。在“虚拟世界”中进行规划使规划过程更加直观直观。

 

伦敦Crossrail项目的规划使用Bentley Systems BIM软件。激光雷达扫描可以合并到BIM生成的计划中。

激光雷达数据可用于规划或改善交通设施和结构。除了分析路权状况和规划新路线外，激光雷达数据还可用于规划或改善车站等设施或桥梁和隧道等结构。调查数据可用于创建现有建筑的足迹，更清楚地了解空间限制，确定翻新或拆除的机会。一些点云处理软件实现了虚拟构建，从而可以在虚拟世界的安全范围内测试结构和规模。Bentley Systems等公司将点云数据导入其BIM（建筑信息建模）3D软件，以规划和设计设施和结构。