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激光雷達的分類及用途

  • 發(fā)布時間:2022-09-03 09:50:33
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激光雷達在過去一直受限于成本及體積等問題難以大規(guī)模落地。而隨著技術(shù)和生產(chǎn)效率的進步,激光雷達成本在近年開始快速下降,各主機廠已逐步將其納入ADAS傳感器方案中,其中國產(chǎn)新勢力在激光雷達的部署上更為激進,將激光雷達作為新的科技賣點更為積極的探索其應用功能,激光雷達的應用也越來越廣泛,在機器人、無人駕駛、無人車等領(lǐng)域都能看到它的身影,有需求必然會有市場,隨著激光雷達需求的不斷增大,激光雷達的種類也變得琳瑯滿目,按照使用功能、探測方式、載荷平臺等激光雷達可分為不同的類型。激光雷達是集激光、全球定位系統(tǒng)(GPS)、和IMU(慣性測量裝置)三種技術(shù)于一身的系統(tǒng),相比毫米波雷達,激光雷達具有分辨率高,隱蔽性好、抗干擾能力更強等優(yōu)勢。

激光測距雷達
激光測距雷達是通過對被測物體發(fā)射激光光束,并接收該激光光束的反射波,記錄該時間差,來確定被測物體與測試點的距離。激光雷達可用于工業(yè)的安全檢測領(lǐng)域,比如科幻片中看到的激光墻,當有人闖入時,系統(tǒng)會立馬做出反應,發(fā)出預警。另外,激光測距雷達在空間測繪領(lǐng)域也有廣泛應用。但隨著人工智能行業(yè)的興起,激光測距雷達已成為機器人體內(nèi)不可或缺的核心部件,配合SLAM技術(shù)使用,可幫助機器人進行實時定位導航,實現(xiàn)自主行走。

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(xiàn),即以一定時間間隔連續(xù)測量目標距離,用兩次目標距離的差值除以時間間隔就可得知目標的速度值,速度的方向根據(jù)距離差值的正負就可以確定。這種方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,測量精度有限,只能用于反射激光較強的硬目標。另一類測速方法是利用多普勒頻移。多普勒頻移是指目標與激光雷達之間存在相對速度時,接收回波信號的頻率與發(fā)射信號的頻率之間會產(chǎn)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標、獲得目標方位及速度信息等。它能夠完成普通雷達所不能完成的任務,如探測潛艇、水雷、隱藏的軍事目標等等。在軍事、航空航天、工業(yè)和醫(yī)學領(lǐng)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(huán)境進行監(jiān)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(xù)的去跟蹤一個目標,并測量該目標的坐標,提供目標的運動軌跡。不僅用于火炮控制、導彈制導、外彈道測量、衛(wèi)星跟蹤、突防技術(shù)研究等,而且在氣象、交通、科學研究等領(lǐng)域也在日益擴大。

固體激光雷達
固體激光雷達峰值功率高,輸出波長范圍與現(xiàn)有的光學元件與器件,輸出長范圍與現(xiàn)有的光學元件與器件(如調(diào)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(xiàn)主振蕩器-功率放大器(MOPA)結(jié)構(gòu),再加上效率高、體積小、重量輕、可靠性高和穩(wěn)定性好等導體,固體激光雷達優(yōu)先在機載和天基系統(tǒng)中應用。近年來,激光雷達發(fā)展的重點是二極管泵浦固體激光雷達。

半導體激光雷達
半導體激光雷達能以高重復頻率方式連續(xù)工作,具有長壽命,小體積,低成本和對人眼傷害小的優(yōu)點,被廣泛應用于后向散射信號比較強的散射測量,如探測云底高度。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別雨雪等,易于制成機載設(shè)備。

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(jīng)在大氣風場和環(huán)境監(jiān)測方面發(fā)揮了很大作用,但體積大,使用的中紅外探測器必須在77K溫度下工作,限制了氣體激光雷達的發(fā)展。

MEMS型激光雷達
MEMS型激光雷達可以動態(tài)調(diào)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(jié)信息并對其進行識別,這是傳統(tǒng)機械激光雷達無法實現(xiàn)的。MEMS整套系統(tǒng)只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里跟蹤到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標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,因此只要一次快閃就能照亮整個場景。隨后,系統(tǒng)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激光雷達有它的優(yōu)勢,當然也存在一定的缺陷。當像素越大,需要處理的信號就會越多,如果將海量像素塞進光電探測器,必然會帶來各種干擾,其結(jié)果就是精度的下降。

連續(xù)型激光雷達
從激光的原理來看,連續(xù)激光就是一直有光出來,就像打開手電筒的開關(guān),它的光會一直亮著(特殊情況除外)。連續(xù)激光是依靠持續(xù)亮光到待測高度,進行某個高度下數(shù)據(jù)采集。由于連續(xù)激光的工作特點,某時某刻只能采集到一個點的數(shù)據(jù)。因為風數(shù)據(jù)的不確定特性,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(zhuǎn)360度,在這個圓邊上面采集多點進行平均評估,顯然這是一個虛擬平面中的多點統(tǒng)計數(shù)據(jù)的概念。

脈沖型激光雷達
脈沖激光輸出的激光是不連續(xù)的,而是一閃一閃的。脈沖激光的原理是發(fā)射幾萬個的激光粒子,根據(jù)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(xù)激光測量的點位多幾十倍,更能夠精確的反應出某個高度風況。

機載激光雷達
機載激光雷達是將激光測距設(shè)備、GNSS設(shè)備和INS等設(shè)備緊密集成,以飛行平臺為載體,通過對地面進行掃描,記錄目標的姿態(tài)、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(shù)。在軍民用領(lǐng)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20千米以內(nèi),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(tǒng),可以通過發(fā)射和接受激光束,分析激光遇到目標對象后的折返時間,計算出目標對象與車的相對距離,并利用收集的目標對象表面大量的密集點的三維坐標、反射率等信息,快速復建出目標的三維模型及各種圖件數(shù)據(jù),建立三維點云圖,繪制出環(huán)境地圖,以達到環(huán)境感知的目的。

星載激光雷達
星載雷達采用衛(wèi)星平臺,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(qū)三維控制點和數(shù)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(shù)據(jù)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、云層和氣溶膠垂直分布測量以及特殊氣候現(xiàn)象監(jiān)測等方面也可以發(fā)揮重要作用。

相控陣激光雷達
相控陣激光雷達搭載的一排發(fā)射器可以通過調(diào)整信號的相對相位來改變激光束的發(fā)射方向。目前大多數(shù)相控陣激光雷達還在實驗室里呆著,而現(xiàn)在仍停留在旋轉(zhuǎn)式或MEMS激光雷達的時代。

機械旋轉(zhuǎn)式激光雷達
機械旋轉(zhuǎn)式激光雷達是發(fā)展比較早的激光雷達,目前技術(shù)比較成熟,但機械旋轉(zhuǎn)式激光雷達系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分復雜,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,導致量產(chǎn)困難,且穩(wěn)定性也有待提升,目前固態(tài)激光雷達成為很多公司的發(fā)展方向。

相干探測激光雷達
相干探測型激光雷達有單穩(wěn)與雙穩(wěn)之分,在所謂單穩(wěn)系統(tǒng)中,發(fā)送與接收信號共用一個光學孔徑,并由發(fā)送-接收開關(guān)隔離。而雙穩(wěn)系統(tǒng)則包括兩個光學孔徑,分別供發(fā)送與接收信號使用,發(fā)送-接收開關(guān)自然不再需要,其余部分與單穩(wěn)系統(tǒng)相同。

直接探測激光雷達
直接探測型激光雷達的基本結(jié)構(gòu)與激光測距機頗為相近。工作時,由發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送一個信號,經(jīng)目標反射后被接收系統(tǒng)收集,通過測量激光信號往返傳播的時間而確定目標的距離。至于目標的徑向速度,則可以由反射光的多普勒頻移來確定,也可以測量兩個或多個距離,并計算其變化率而求得速度。

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