然而，LiDAR比單純的測距更復(fù)雜。它還可用于三維制圖和成像——這使它在工程方面非常有吸引力，也是一項(xiàng)非常有用的實(shí)用技術(shù)。

 

光和飛行時(shí)間

 

LiDAR有不同的測距方法，但最簡單易懂的是單脈沖直接飛行時(shí)間（dToF）系統(tǒng)。在這里，一個(gè)光源（通常是激光）發(fā)出一個(gè)光脈沖，然后啟動(dòng)一個(gè)計(jì)時(shí)器。當(dāng)光脈沖擊中一個(gè)物體時(shí)，它被反射到通常與激光位于同一位置的傳感器，且計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)。知道發(fā)射脈沖到接收回波之間的時(shí)間（t），利用光速常數(shù)（c）計(jì)算出與目標(biāo)物體的距離（D）就很簡單了。

 

圖1：直接飛行時(shí)間 (dTOF)測量光到達(dá)目標(biāo)并返回所花的時(shí)間

 

另一種方法稱為間接飛行時(shí)間LiDAR（iToF），傳輸?shù)氖沁B續(xù)的正弦波，iToF根據(jù)發(fā)射和反射波形之間的相位差確定飛行時(shí)間（t）。

 

在這兩種方法中，iToF較常見。一般來說，它更適用于短距離應(yīng)用，和能夠很好地控制環(huán)境光照水平的情況。而dToF可用于長距離和短距離應(yīng)用。此外，它的運(yùn)行速度較快，可測量多個(gè)回波，從而實(shí)現(xiàn)對多個(gè)物體的探測。

 

為了使LiDAR系統(tǒng)高效地工作，回波信號(hào)必須在系統(tǒng)工作的環(huán)境光內(nèi)可探測到。顯然，這在室內(nèi)是比較容易的，因?yàn)楣饩€可以控制，但LiDAR的許多最令人興奮的應(yīng)用是在室外，因此有必要提供一個(gè)解決方案。

 

提高信噪比(SNR)

 

使用ASTM G-173-03太陽輻照度模型，可看出太陽噪聲（光）的峰值出現(xiàn)在波長500到600納米的范圍內(nèi)，即可見光譜。光譜中近紅外（NIR）部分（約905 nm）的噪聲已降至一半，這意味著這一波長的光更容易被探測到。

 

圖2：近紅外范圍能以高性價(jià)比的元器件提高信噪比

 

在短波紅外范圍（1550 nm左右）可達(dá)到更好的效果，但發(fā)射器和探測器更貴，因此近紅外范圍性價(jià)比最高。

 

直觀地看出，簡單地提高發(fā)射器的功率可解決信噪比問題，并提高LiDAR系統(tǒng)的精度和范圍，但發(fā)出的光可能對人類和動(dòng)物有害。為此，BS EN 60825-1:2014等國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了可發(fā)射的功率。

 

由于可用的功率有限，為了增加有效范圍，必須采用其他技術(shù)。使用多發(fā)射脈沖激光可顯著提高信噪比和范圍，同時(shí)保持每個(gè)脈沖內(nèi)的能量較低。在這種方法中，發(fā)射多個(gè)脈沖，并創(chuàng)建探測到的回波的時(shí)間戳直方圖。

 

圖3：多脈沖dToF使目標(biāo)從背景噪聲中清晰地分辨出來

 

生成的直方圖清晰地顯示了在隨機(jī)時(shí)間探測到的環(huán)境光子，并在直方圖峰值兩側(cè)形成“本底噪聲”，在直方圖峰值處，大部分回波以相同的時(shí)間間隔返回，代表目標(biāo)物體。

 

LiDAR的演變

 

LiDAR技術(shù)不斷發(fā)展，最近，探測器技術(shù)以及用于創(chuàng)建3D地圖的方法都有了進(jìn)步。

 

早期的探測器通常是PIN二極管或雪崩光電二極管。這些已被單光子雪崩二極管（SPAD）和硅光電倍增管（SiPM）所取代，它們將密集的SPAD傳感器陣列集成到單個(gè)器件中。與早期的方案相比，SPAD和SiPM傳感器提供了低工作電壓、出色的一致性和非常高的增益，還能探測到單光子的光能。

 

雖然測量遠(yuǎn)程目標(biāo)物體的距離的能力非常有用，但LiDAR的真正優(yōu)勢在于它能夠創(chuàng)建詳細(xì)和高度精確的表面3D地圖——無論是工廠環(huán)境中的物體，還是在更大范圍內(nèi)的一大片地。

 

通過將LiDAR原理與掃描光電系統(tǒng)結(jié)合，可控制光束以創(chuàng)建場景的密集深度點(diǎn)云。這可通過物理旋轉(zhuǎn)激光發(fā)射器以覆蓋場景的所有區(qū)域來機(jī)械地實(shí)現(xiàn)，但這種方式一般體積大，成本高，且在對準(zhǔn)方面存在挑戰(zhàn)。

 

一種更現(xiàn)代的方法是使用準(zhǔn)固態(tài)系統(tǒng)，如微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）微鏡、液晶超表面（LCM）和光學(xué)相控陣（OPA）來引導(dǎo)光束穿過系統(tǒng)。該方案幾乎是固態(tài)的，因此更可靠，對于長距離應(yīng)用也很有效。

 

唯一真正的固態(tài)LiDAR測繪方法是使用發(fā)射器和傳感器陣列（SiPM或SPAD）并對場景進(jìn)行閃光。由于發(fā)射器的功率限制，閃光照明只適用于短距離或窄視場(FoV)。可以使用多點(diǎn)閃光照明方法，即一個(gè)可尋址的發(fā)射器陣列(通常是可尋址的垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)陣列)依次照亮場景的不同部分，并與探測器的讀出同步。

 

LiDAR的應(yīng)用

 

LiDAR是一項(xiàng)非常有價(jià)值的技術(shù)；它適合的應(yīng)用跨越了許多領(lǐng)域，包括汽車、工業(yè)、交通、農(nóng)業(yè)和勘測。

 

感知車輛行駛路徑中物體的能力使得自適應(yīng)巡航控制(ACC)等系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，與前車保持間距，LiDAR將成為未來全自動(dòng)駕駛車輛的關(guān)鍵推動(dòng)力。

 

LiDAR系統(tǒng)體積小、重量輕，可由無人機(jī)攜帶，這開辟了一種比人工方法更快（因此成本更低）、更精確的大面積勘測方式。其應(yīng)用幾乎是無限的，包括監(jiān)測環(huán)境影響，如海岸侵蝕、洪水或冰川消融。可迅速而安全地評估自然災(zāi)害的影響，如火山地震，從而更迅速而有效地提供援助。

 

農(nóng)民可利用LiDAR勘測土地，評估農(nóng)作物的狀況，而公路或鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目則可輕松勘測擬建路線，并繪制進(jìn)度圖。

 

靜態(tài)LiDAR可安裝在大型容器如料倉或儲(chǔ)罐中，無需接觸內(nèi)容物就能準(zhǔn)確地測量內(nèi)容物。

 

傳感器和方案

 

安森美半導(dǎo)體的RB系列高響應(yīng)、快速SiPM具有很高的抗溫度波動(dòng)性。有三種微單元尺寸（10 mm，20 mm或35 mm），每個(gè)器件的有源傳感面積為1 mm x 1 mm。這些高增益（高達(dá)1.7 x 106）的器件采用小型（1.5 mm x 1.8 mm）封裝。

 

為了支持剛接觸LiDAR技術(shù)的公司或時(shí)間緊迫的項(xiàng)目，安森美半導(dǎo)體設(shè)計(jì)了一個(gè)用于工業(yè)應(yīng)用的全面的SiPM dToF LiDAR開發(fā)平臺(tái)。

 

該即插即用的平臺(tái)結(jié)合一個(gè)近紅外激光發(fā)射器和一個(gè)RB系列SiPM探測器，用于單點(diǎn)測距。

 

圖4：安森美半導(dǎo)體的SiPM dToF LiDAR平臺(tái)的原理框圖

 

圖5：安森美半導(dǎo)體SiPM dToF LiDAR平臺(tái)的高級框圖

 

激光發(fā)射器被指定使用1類激光，因而符合所有的眼睛安全標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)使工作范圍擴(kuò)展到23米。通過包含一個(gè)簡單易用的圖形用戶界面(GUI)，平臺(tái)的配置和監(jiān)控變得簡單。

 

一旦開發(fā)和調(diào)試完成，就可以無縫過渡到制造，因?yàn)樵摮杀緝?yōu)化的平臺(tái)可隨時(shí)大規(guī)模部署，且所有必要的制造文件都已準(zhǔn)備就緒。

 

總結(jié)

 

LiDAR是種非常有用的技術(shù)，它支持輕松地測距和創(chuàng)建精確而詳細(xì)的3D圖。即使功率和激光發(fā)射器功率受到安全限制，但通過精心選擇波長和使用多射光脈沖，也可提高信噪比，實(shí)現(xiàn)長距測量。

 

LiDAR技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，未來它將使我們更好地了解我們的世界，同時(shí)也使我們的世界更安全。

 

 

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