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光学雷达。原图链接

光学雷达（英语：lidar, LIDAR, LiDAR，是“light detection and ranging”的缩写，简称光达），是以脉冲雷射光束探测目标的位置、速度等特征量的一种雷达系统。光学雷达感测器通过扫描波长 850-1550奈米的光束、利用反射的光讯号建立区域三维地图，从而提供空间信息。不论是白天还是夜间，光学雷达都能提供高解析度及明确的范围和速度信息。

概述

光学雷达（光达）是一种光学遥感技术，它通过向目标照射一束光，通常是一束脉冲雷射来测量目标的距离等参数。在测绘学、考古学、地理学、地貌、地震、林业、遥感以及大气物理等领域都有应用此外，这项技术还用于机载雷射地图测绘、雷射测高、雷射雷达等高线绘制等等具体应用中。它代表光探测和测距，系统通常使用与雷达作用相似的无形镭射光测量与物体的距离。

然而，光达技术并非毫无自己的特定限制。首先，每秒至少需要一百万次测量，然后将它们转化为可操作的资料，这需要大量的处理能力。光达感测器也很复杂，许多感测器倚赖于可动部件，这些配件会使它们更容易受到损坏。

光学雷达对物体距离的测量与通常所说的雷达类似，都是通过测量发送和接受到的脉冲信号的时间间隔来计算物体的距离。因此，由于原理上的相似性，尽管雷达的准确定义是使用微波或无线电波等波长较长的电磁波进行检测测距的设备，光学雷达这一术语仍然被广泛使用。依据搭载平台不同, 雷射雷达可以分为星载雷射雷达(spaceborne lidar)、机载雷射雷达(airbornelaser scanner, ALS)、无人机雷射雷达(drone laser scanner, DLS)、车载雷射雷达(vehicle-mounted laser scanner, VLS)和地基雷射雷达 (terrestrial laser scanner, TLS)。

工作原理

光学雷达最初是一种测量技术，可测量数千个点，以构建感测器周围环境的惊人细节3D 视图。工作原理是向目标发射探测信号，再将反射回来的信号与发射信号进行比较并作适当处理，从而获得目标的众多参数。它能够获取三维地理信息，不仅能作军事用途，相关数据也被广泛用于资源勘探、城市规划、农业开发、环境监测、交通通讯、防震减灾等众多方面。工业界，自动驾驶、机器人（比如扫地机器人、物流机器人）、无人机、乃至 iPad Pro 2020 和 iPhone 12 Pro 系列中，均有光学雷达加持。

名词释义

目前还没有关于大写字母的共识，反映了光学雷达是否是缩写词的不确定性，以及它是否是缩写，是否应该以小写形式出现，如“lidar”。 各种出版物将光学雷达称为“LIDAR”，“LiDAR”，“LIDaR”或“Lidar”。 光学雷达作为首字母缩写（“LIDAR”或“LiDAR”）的解释后的1970年，由于基本术语“雷达”最初是作为“无线电检测和测距”的缩写开始的，所以“光学雷达”必须代表“光检测和测距”或“雷射光成像，检测和测距”。尽管英语不再把“radar”当作缩写，而且印刷的文字普遍以“lidar”这个词为主，但在1980年代开始的一些出版物中，“lidar”一词变成了大写字母“LIDAR”或“LiDAR”。

美国地质调查局有时在同一文件中同时使用“LIDAR”和“lidar”；而纽约时报主要使用“lidar”，路透社等新闻公司可能会使用“Lidar”。尽管现在大多数人会把“LIDAR”这个词当作缩写，其实该术语起源于“light”与“radar”的混成词。 1963年首次发表的关于雷射雷达的文章清楚地表明：“最终，雷射可以提供远距离物体的特定波长的探测运用。”同时，它被用于研究月球。牛津英语词典应证了这个词源。

发展史

光学雷达起源于1960年代初，在雷射发明后不久，透过雷射对焦成像与透过使用感测器和数位搜集装置测量信号回传时间，及计算距离的能力结合而产生。 它的第一个应用来自气象学，美国国家大气研究中心用它来测量云。1971年阿波罗15号任务期间，当太空人使用雷射高度计绘制月球表面时，让群众意识到光学雷达的准确性和实用性。

感测器

与检测物体自然发射的能量的无源传感器相反，光学雷达使用有源传感器，它们发射自己的能量源进行照明。 能量源撞击物体，物体反射的能量被感测器检测和测量。 雷射光雷达是有源传感器的一个例子，它使用雷射器（通过受激发射辐射的光放大）雷达传输光脉冲和带有灵敏探测器的接收器来测量背散射或反射光。 通过记录发射和背散射脉冲之间的时间并使用光速计算行进距离来确定与物体的距离。

自动驾驶汽车的眼睛

光学雷达感测器可帮助自动驾驶汽车探测到其他车辆、自行车、行人以及道路上任何构成潜在危险的障碍物，它获取到的资讯至关重要，因而也被称为是自动驾驶汽车的眼睛。

诚然，测距光学雷达有望使得机器以非常高的精度观察世界并对机器进行导航，但在光学雷达被自动驾驶车辆和机器人广泛使用之前，光学雷达感测器需要大量生产，性能需要提升，成本也需要比目前的商用系统成本（几千美元上下）低2个数量级。

雷达视角

无线电探测和测距，可概括为大多数人所称的”雷达”，是第二次世界大战前所开发的。几十年来，它一直被用来精确计算飞机、船只和其他移动物体的位置、速度和方向。雷达的工作原理是向目的地区域发射无线电波，并监测任何物体的反射。分析这些反射的频率也揭示了它们的相对速度。例如，来自接近物体的反射向上移动，而从后退物体的反射向下移动–与警察警报器在经过时，改变间距时所经历的效果类似。

先端科技

2016 年 8 月，MIT（美国麻省理工学院）联合DARPA美国国防部高级研究计划局）给出了一个解决方案：将光学雷达感测器封装到单晶片上， 尺寸仅 0.5 毫米 × 6 毫米。在DARPA的支持下，MIT在 Kyber Photonic的一个小组设计了新型固态 lidar-on-a-chip 结构。MIT 表示：与目前最先进的光学雷达相比，这一设计视野相当广阔、控制方法简单，并有希望透过整合光子学产业的晶片规模制造方法，将规模扩大到数百万个单元。

单晶片光学雷达

新型固态 lidar-on-a-chip 结构

IEEE Spectrum 拆解了该结构的 2 个关键概念。一是固态，即不使用活动部件，消除了机械模式的故障。二是 lidar-on-a-chip，指将雷射、电子、探测器和光学光束控制机制全部整合到晶片上。正是由于这一架构可以充分利用与 CMOS 兼容的材料、半导体行业建立的晶片规模制造方法，现存的光学雷达难题有望被解决。正如 IEEE Spectrum 在报导中所说的那样：

一旦最终的解决方案被证实，可以预期，光学雷达感测器就像电脑、手机内部的积体电路一样，每年生产数亿个。具体来讲，MIT光子学团队和 MIT林肯实验室的研究人员合作开发了固态光束转向的替代解决方案。过去3年，研究人员已经设计、制造并在实验中成功演示了一种新的固态波束控制架构，这一架构可在近红外环境下工作。最终目标是在未来2-3年内实现一个钱包大小的光学雷达晶片单元，并且拥有一条清晰的生产路径，实现低成本、高可靠性、高性能和可扩展性，适用于自动驾驶汽车等行业。

光达是未来无人驾驶汽车的重要技术，通用汽车和 Waymo 是著名的支持者。目前，它的价格高得令人望而却步，在汽车行业中基本上未经证实，但当该技术成为主流产品时，其性能可能证明至关重要。在车辆中，光达能尽可能提供最详细的路况、用路人和车辆周围的潜在危险。令人印象深刻的是，光达可深测高达100公尺左右的距离，并能以最高2釐米的精度测量距离。光达也不受风、雨和雪等恶劣天气条件的影响，实际上甚至可以用来绘制大雪中无法进入的区域条件。

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