激光雷達是什麼
激光雷達最早的定義是 LIDAR,英文為 Light Deteation and Ranging,中文意思是「光的探測和測距」。其實更準确的一個定義是 LADAR:LAser Detection and Ranging,即「激光的探測和測距」。這是在 2004 年提出的定義,更符合激光雷達的概念。
激光雷達實際上是一種工作在光學波段(特殊波段)的雷達,它的優點非常明顯:
1、具有極高的分辨率:激光雷達工作于光學波段,頻率比微波高2~3個數量級以上,因此,與微波雷達相比,激光雷達具有極高的距離分辨率、角分辨率和速度分辨率;
2、抗幹擾能力強:激光波長短,可發射發散角非常小(μrad量級)的激光束,多路徑效應小(不會形成定向發射,與微波或者毫米波産生多路徑效應),可探測低空/超低空目标;
3、獲取的信息量豐富:可直接獲取目标的距離、角度、反射強度、速度等信息,生成目标多維度圖像;
4、可全天時工作:激光主動探測,不依賴于外界光照條件或目标本身的輻射特性。它隻需發射自己的激光束,通過探測發射激光束的回波信号來獲取目标信息。
但是激光雷達最大的缺點——容易受到大氣條件以及工作環境的煙塵的影響,要實現全天候的工作環境是非常困難的事情。
激光雷達分類
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激光雷達按功能分類:
激光測距雷達
激光測距雷達是通過對被測物體發射激光光束,并接收該激光光束的反射波,記錄該時間差,來确定被測物體與測試點的距離。傳統上,激光雷達可用于工業的安全檢測領域,如科幻片中看到的激光牆,當有人闖入時,系統會立馬做出反應,發出預警。另外,激光測距雷達在空間測繪領域也有廣泛應用。但随着人工智能行業的興起,激光測距雷達已成為機器人體内不可或缺的核心部件,配合SLAM技術使用,可幫助機器人進行實時定位導航,,實現自主行走。思岚科技研制的rplidar系列配合slamware模塊使用是目前服務機器人自主定位導航的典型代表,其在25米測距半徑内,可完成每秒上萬次的激光測距,并實現毫米級别的解析度。
激光測速雷達
激光測速雷達是對物體移動速度的測量,通過對被測物體進行兩次有特定時間間隔的激光測距,從而得到該被測物體的移動速度。
激光雷達測速的方法主要有兩大類,一類是基于激光雷達測距原理實現,即以一定時間間隔連續測量目标距離,用兩次目标距離的差值除以時間間隔就可得知目标的速度值,速度的方向根據距離差值的正負就可以确定。這種方法系統結構簡單,測量精度有限,隻能用于反射激光較強的硬目标。
另一類測速方法是利用多普勒頻移。多普勒頻移是指目标與激光雷達之間存在相對速度時,接收回波信号的頻率與發射信号的頻率之間會産生一個頻率差,這個頻率差就是多普勒頻移。
激光成像雷達
激光成像雷達可用于探測和跟蹤目标、獲得目标方位及速度信息等。它能夠完成普通雷達所不能完成的任務,如探測潛艇、水雷、隐藏的軍事目标等等。在軍事、航空航天、工業和醫學領域被廣泛應用。
大氣探測激光雷達
大氣探測激光雷達主要是用來探測大氣中的分子、煙霧的密度、溫度、風速、風向及大氣中水蒸氣的濃度的,以達到對大氣環境進行監測及對暴風雨、沙塵暴等災害性天氣進行預報的目的。
跟蹤雷達
跟蹤雷達可以連續的去跟蹤一個目标,并測量該目标的坐标,提供目标的運動軌迹。不僅用于火炮控制、導彈制導、外彈道測量、衛星跟蹤、突防技術研究等,而且在氣象、交通、科學研究等領域也在日益擴大。
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按工作介質分類:
固體激光雷達
固體激光雷達峰值功率高,輸出波長範圍與現有的光學元件與器件,輸出長範圍與現有的光學元件與器件(如調制器、隔離器和探測器)以及大氣傳輸特性相匹配等,而且很容易實現主振蕩器-功率放大器(MOPA)結構,再加上效率高、體積小、重量輕、可靠性高和穩定性好等導體,固體激光雷達優先在機載和天基系統中應用。近年來,激光雷達發展的重點是二極管泵浦固體激光雷達。
氣體激光雷達
氣體激光雷達以CO2激光雷達為代表,它工作在紅外波段 ,大氣傳輸衰減小,探測距離遠,已經在大氣風場和環境監測方面發揮了很大作用,但體積大,使用的中紅外 HgCdTe探測器必須在77K溫度下工作,限制了氣體激光雷達的發展。
半導體激光雷達
半導體激光雷達能以高重複頻率方式連續工作,具有長壽命,小體積,低成本和對人眼傷害小的優點,被廣泛應用于後向散射信号比較強的Mie散射測量,如探測雲底高度。半導體激光雷達的潛在應用是測量能見度,獲得大氣邊界層中的氣溶膠消光廓線和識别雨雪等,易于制成機載設備。目前芬蘭Vaisala公司研制的CT25K激光測雲儀是半導體測雲激光雷達的典型代表,其雲底高度的測量範圍可達7500m。
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按線數分類:
單線激光雷達
單線激光雷達主要用于規避障礙物,其掃描速度快、分辨率強、可靠性高。由于單線激光雷達比多線和3D激光雷達在角頻率和靈敏度反映更加快捷,所以,在測試周圍障礙物的距離和精度上都更加精 确。但是,單線雷達隻能平面式掃描,不能測量物體高度,有一定局限性。當前主要應用于服務機器人身上,如我們常見的掃地機器人。
多線激光雷達
多線激光雷達主要應用于汽車的雷達成像,相比單線激光雷達在維度提升和場景還原上有了質的改變,可以識别物體的高度信息。多線激光雷達常規是2.5D,而且可以做到3D。目前在國際市場上推出的主要有 4線、8線、16 線、32 線和 64 線。但價格高昂,大多車企不會選用。
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按掃描方式分類:
MEMS型激光雷達
MEMS 型激光雷達可以動态調整自己的掃描模式,以此來聚焦特殊物體,采集更遠更小物體的細節信息并對其進行識别,這是傳統機械激光雷達無法實現的。MEMS整套系統隻需一個很小的反射鏡就能引導固定的激光束射向不同方向。由于反射鏡很小,因此其慣性力矩并不大,可以快速移動,速度快到可以在不到一秒時間裡跟蹤到 2D 掃描模式。
Flash型激光雷達
Flash型激光雷達能快速記錄整個場景,避免了掃描過程中目标或激光雷達移動帶來的各種麻煩,它運行起來比較像攝像頭。激光束會直接向各個方向漫射,因此隻要一次快閃就能照亮整個場景。随後,系統會利用微型傳感器陣列采集不同方向反射回來的激光束。Flash LiDAR有它的優勢,當然也存在一定的缺陷。當像素越大,需要處理的信号就會越多,如果将海量像素塞進光電探測器,必然會帶來各種幹擾,其結果就是精度的下降。
相控陣激光雷達
相控陣激光雷達搭載的一排發射器可以通過調整信号的相對相位來改變激光束的發射方向。目前大多數相控陣激光雷達還在實驗室裡呆着,而現在仍停留在旋轉式或 MEMS 激光雷達的時代,
機械旋轉式激光雷達
機械旋轉式激光雷達是發展比較早的激光雷達,目前技術比較成熟,但機械旋轉式激光雷達系統結構十分複雜,且各核心組件價格也都頗為昂貴,其中主要包括激光器、掃描器、光學組件、光電探測器、接收IC以及位置和導航器件等。由于硬件成本高,導緻量産困難,且穩定性也有待提升,目前固态激光雷達成為很多公司的發展方向。
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按探測方式分類:
直接探測激光雷達
直接探測型激光雷達的基本結構與激光測距機頗為相近。工作時,由發射系統發送一個信号,經目标反射後被接收系統收集,通過測量激光信号往返傳播的時間而确定目标的距離。至于目标的徑向速度,則可以由反射光的多普勒頻移來确定,也可以測量兩個或多個距離,并計算其變化率而求得速度。
相幹探測激光雷達
相幹探測型激光雷達有單穩與雙穩之分,在所謂單穩系統中,發送與接收信号共用一個光學孔徑,并由發送-接收開關隔離。而雙穩系統則包括兩個光學孔徑,分别供發送與接收信号使用,發送-接收開關自然不再需要,其餘部分與單穩系統相同。
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按激光發射波形分類:
連續型激光雷達
從激光的原理來看,連續激光就是一直有光出來,就像打開手電筒的開關,它的光會一直亮着(特殊情況除外)。連續激光是依靠持續亮光到待測高度,進行某個高度下數據采集。由于連續激光的工作特點,某時某刻隻能采集到一個點的數據。因為風數據的不确定特性,用一點代表某個高度的風況,顯然有些片面。因此有些廠家折中的辦法是采取旋轉360度,在這個圓邊上面采集多點進行平均評估,顯然這是一個虛拟平面中的多點統計數據的概念。
脈沖型激光雷達
脈沖激光輸出的激光是不連續的,而是一閃一閃的。脈沖激光的原理是發射幾萬個的激光粒子,根據國際通用的多普勒原理,從這幾萬個激光粒子的反射情況來綜合評價某個高度的風況,這個是一個立體的概念,因此才有探測長度的理論。從激光的特性來看,脈沖激光要比連續激光測量的點位多幾十倍,更能夠精确的反應出某個高度風況。
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按載荷平台分類:
機載激光雷達
機載激光雷達是将激光測距設備、GNSS設備和INS等設備緊密集成,以飛行平台為載體,通過對地面進行掃描,記錄目标的姿态、位置和反射強度等信息,獲取地表的三維信息,并深入加工得到所需空間信息的技術。在軍民用領域都有廣泛的潛力和前景。機載激光雷達探測距離近,激光在大氣中傳輸時,能量受大氣影響而衰減,激光雷達的作用距離在20千米以内,尤其在惡劣氣候條件下,比如濃霧、大雨和煙、塵,作用距離會大大縮短,難以有效工作。大氣湍流也會不同程度上降低激光雷達的測量精度。
車載激光雷達
車載激光雷達又稱車載三維激光掃描儀,是一種移動型三維激光掃描系統,可以通過發射和接受激光束,分析激光遇到目标對象後的折返時間,計算出目标對象與車的相對距離,并利用收集的目标對象表面大量的密集點的三維坐标、反射率等信息,快速複建出目标的三維模型及各種圖件數據,建立三維點雲圖,繪制出環境地圖,以達到環境感知的目的。車載激光雷達在自動駕駛“造車”大潮中扮演的角色正越來越重要,諸如谷歌、百度、寶馬、博世、德爾福等企業,都在其自動駕駛系統中使用了激光雷達,帶動車載激光雷達産業迅速擴大。
地基激光雷達
地基激光雷達可以獲取林區的3D點雲信息,利用點雲信息提取單木位置和樹高,它不僅節省了人力和物力,還提高了提取的精度,具有其它遙感方式所無法比拟的優勢。通過對國内外該技術林業應用的分析和對該發明研究後期的結果驗證,未來将會在更大的研究區域利用該技術提取各種森林參數。
星載激光雷達
星載雷達采用衛星平台,運行軌道高、觀測視野廣,可以觸及世界的每一個角落。為境外地區三維控制點和數字地面模型的獲取提供了新的途徑,無論對于國防或是科學研究都具有十分重大意義。星載激光雷達還具有觀察整個天體的能力,美國進行的月球和火星等探測計劃中都包含了星載激光雷達,其所提供的數據資料可用于制作天體的綜合三維地形圖。此外,星載激光雷達載植被垂直分布測量、海面高度測量、雲層和氣溶膠垂直分布測量以及特殊氣候現象監測等方面也可以發揮重要作用。
通過以上對激光雷達特點、原理、應用領域等介紹,相信大家也能大緻了解各類激光雷達的不同屬性了,眼下,在激光雷達這個競争越來越激烈的賽道上,打造低成本、可量産、的激光雷達是很多新創公司想要實現的夢想。但開發和量産激光雷達并不容易。豐富的行業經驗和可靠的技術才能保障其在這一波大潮中占據主導地位。
國内外知名激光雷達公司盤點
2020激光雷達行業發展現狀及前景分析
據悉,2019年激光雷達市場規模7.36億元。激光雷達是以發射激光束探測目标的位置、速度等特征量的雷達系統。其工作原理是向目标發射探測信号(激光束),然後将接收到的從目标反射回來的信号(目标回波)與發射信号進行比較,作适當處理後,就可獲得目标的有關信息,如目标距離、方位、高度、速度、姿态、甚至形狀等參數,從而對飛機、導彈等目标進行探測、跟蹤和識别。它由激光發射機、光學接收機、轉台和信息處理系統等組成,激光器将電脈沖變成光脈沖發射出去,光接收機再把從目标反射回來的光脈沖還原成電脈沖,送到顯示器。
近年來,激光雷達被廣泛應用于導航領域,如機器人、無人機的避障以及智能車的自動駕駛(領域,應用場景不斷擴大,打破了原來僅局限于應用于軍事領域的局面,而在民用和商業領域得到較快發展。
未來自動駕駛将是拉動行業的發展的最大動力之一。激光雷達作為高級别無人駕駛必須的核心傳感器,車規适應性将成為激光雷達進入自動駕駛市場的基本條件。目前國内外一些廠商已經陸續推出車規級激光雷達産品,包括lbeo、Innoviz、速騰聚創,推出的車規級激光雷達的有Velodyne、佳光科技,其他激光雷達廠商目前也在研發車規級激光雷達,未來,我們将看到更多的車規級激光雷達出現在市場上。
據中研普華研究分析,目前大部分企業都以無人車、機器人及無人車領域激光雷達為主要研究方向。而傳統機械式激光雷達已逐漸向固态激光雷達方向轉變。在價格方面,無人駕駛領域的激光雷達少則上萬,多則幾十萬元,普遍要高于機器人及AGV等領域價格。而機器人領域的激光雷達相對來說售價更低,國内思岚科技及玩智商等企業已低至上百元。在未來,固态、小型、低成本激光雷達将是各企業的着重發力點。
來源:21ic電子網,江蘇激光聯盟轉載
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