激光雷达(LiDAR)工程要点

LiDAR（光探测和测距）是一种传感技术，类似于雷达，但用光而不是无线电波。它利用反射光的原理和精确的时间来测量物体的距离。由于LiDAR高水平的深度和角度分辨率，可实现卓越的深度感知。此外，由于采用红外光发射器和接收器的有源方法，因此它能够在所有光照条件下工作。

然而，LiDAR比单纯的测距更复杂。它还可用于三维制图和成像--这使它在工程方面非常有吸引力，也是一项非常有用的实用技术。

光和飞行时间

LiDAR有不同的测距方法，但最简单易懂的是单脉冲直接飞行时间（dToF）系统。在这里，一个光源（通常是激光）发出一个光脉冲，然后启动一个计时器。当光脉冲击中一个物体时，它被反射到通常与激光位于同一位置的传感器，且计时器停止计时。知道发射脉冲到接收回波之间的时间（t），利用光速常数（c）计算出与目标物体的距离（D）就很简单了。

图1：直接飞行时间 (dTOF)测量光到达目标并返回所花的时间

另一种方法称为间接飞行时间LiDAR（iToF），传输的是连续的正弦波，iToF根据发射和反射波形之间的相位差确定飞行时间（t）。

在这两种方法中，iToF较常见。一般来说，它更适用于短距离应用，和能够很好地控制环境光照水平的情况。而dToF可用于长距离和短距离应用。此外，它的运行速度较快，可测量多个回波，从而实现对多个物体的探测。

为了使LiDAR系统高效地工作，回波信号必须在系统工作的环境光内可探测到。显然，这在室内是比较容易的，因为光线可以控制，但LiDAR的许多最令人兴奋的应用是在室外，因此有必要提供一个解决方案。

提高信噪比(SNR)

使用ASTM G-173-03太阳辐照度模型，可看出太阳噪声（光）的峰值出现在波长500到600纳米的范围内，即可见光谱。光谱中近红外（NIR）部分（约905 nm）的噪声已降至一半，这意味着这一波长的光更容易被探测到。

图2：近红外范围能以高性价比的元器件提高信噪比

在短波红外范围（1550 nm左右）可达到更好的效果，但发射器和探测器更贵，因此近红外范围性价比最高。

直观地看出，简单地提高发射器的功率可解决信噪比问题，并提高LiDAR系统的精度和范围，但发出的光可能对人类和动物有害。为此，BS EN 60825-1:2014等国际标准规定了可发射的功率。

由于可用的功率有限，为了增加有效范围，必须采用其他技术。使用多发射脉冲激光可显著提高信噪比和范围，同时保持每个脉冲内的能量较低。在这种方法中，发射多个脉冲，并创建探测到的回波的时间戳直方图。

图3：多脉冲dToF使目标从背景噪声中清晰地分辨出来

生成的直方图清晰地显示了在随机时间探测到的环境光子，并在直方图峰值两侧形成"本底噪声"，在直方图峰值处，大部分回波以相同的时间间隔返回，代表目标物体。

LiDAR的演变

LiDAR技术不断发展，最近，探测器技术以及用于创建3D地图的方法都有了进步。

早期的探测器通常是PIN二极管或雪崩光电二极管。这些已被单光子雪崩二极管（SPAD）和硅光电倍增管（SiPM）所取代，它们将密集的SPAD传感器阵列集成到单个器件中。与早期的方案相比，SPAD和SiPM传感器提供了低工作电压、出色的一致性和非常高的增益，还能探测到单光子的光能。

虽然测量远程目标物体的距离的能力非常有用，但LiDAR的真正优势在于它能够创建详细和高度精确的表面3D地图--无论是工厂环境中的物体，还是在更大范围内的一大片地。