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激光雷達(dá)

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激光雷達(dá)最大的優(yōu)點(diǎn)在于它能直接提供距離信息。平常我們看到的照片或者視頻是一個(gè)平面,這是XY二維空間,但是駕駛員最關(guān)心是距離,即Z坐標(biāo),這就屬于三維。

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激光雷達(dá)簡(jiǎn)介

  激光雷達(dá),是以發(fā)射激光束探測(cè)目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)。其工作原理是向目標(biāo)發(fā)射探測(cè)信號(hào)(激光束),然后將接收到的從目標(biāo)反射回來(lái)的信號(hào)(目標(biāo)回波)與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比較,作適當(dāng)處理后,就可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息,如目標(biāo)距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù),從而對(duì)飛機(jī)、導(dǎo)彈等目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、跟蹤和識(shí)別。它由激光發(fā)射機(jī)、光學(xué)接收機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)和信息處理系統(tǒng)等組成,激光器將電脈沖變成光脈沖發(fā)射出去,光接收機(jī)再把從目標(biāo)反射回來(lái)的光脈沖還原成電脈沖,送到顯示器。

激光雷達(dá)百科

  激光雷達(dá),是以發(fā)射激光束探測(cè)目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)。其工作原理是向目標(biāo)發(fā)射探測(cè)信號(hào)(激光束),然后將接收到的從目標(biāo)反射回來(lái)的信號(hào)(目標(biāo)回波)與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比較,作適當(dāng)處理后,就可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息,如目標(biāo)距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù),從而對(duì)飛機(jī)、導(dǎo)彈等目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、跟蹤和識(shí)別。它由激光發(fā)射機(jī)、光學(xué)接收機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)和信息處理系統(tǒng)等組成,激光器將電脈沖變成光脈沖發(fā)射出去,光接收機(jī)再把從目標(biāo)反射回來(lái)的光脈沖還原成電脈沖,送到顯示器。

  激光雷達(dá)的原理

  激光雷達(dá)工作原理也不難理解,就是發(fā)射和接收激光束。在激光雷達(dá)的內(nèi)部,每一組組件都包含一個(gè)發(fā)射單元與接收單元。我們拿激光雷達(dá)領(lǐng)域最有名的公司Velodyne的旋轉(zhuǎn)鏡面設(shè)計(jì)圖來(lái)說(shuō)明。

  

  激光雷達(dá)工作原理

  這套發(fā)射/接收組件和旋轉(zhuǎn)鏡面結(jié)合在一起,能掃描至少一個(gè)平面。鏡面不只反射二極管發(fā)出去的光,而且也能把反射回來(lái)的光再反射給接收器。通過旋轉(zhuǎn)鏡面,能夠?qū)崿F(xiàn) 90到180度的視角,并且大大降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造的復(fù)雜度,因?yàn)殓R面是這里面唯一的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

  探測(cè)距離的原理是基于光返回的時(shí)間,激光二極管發(fā)出脈沖光,脈沖光照射到目標(biāo)物后反射一部分光回來(lái),在二極管附近安裝一個(gè)光子探測(cè)器,它可以探測(cè)出返回來(lái)的信號(hào),通過計(jì)算發(fā)射和探測(cè)的時(shí)間差就可以計(jì)算出目標(biāo)物的距離。脈沖距離測(cè)量系統(tǒng)一旦被激活就能收集到大量的點(diǎn)云。

  如果點(diǎn)云中有目標(biāo)物,目標(biāo)物就會(huì)在點(diǎn)云中呈現(xiàn)出一個(gè)陰影。通過這個(gè)陰影可以測(cè)量出目標(biāo)物的距離和大小。通過點(diǎn)云可以生成周圍環(huán)境的3D圖像。點(diǎn)云密度越高,圖像越清晰。

  激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)

  與普通微波雷達(dá)相比,激光雷達(dá)由于使用的是激光束,工作頻率較微波高了許多,因此帶來(lái)了很多優(yōu)點(diǎn),主要有:

 ?。?)分辨率高

  激光雷達(dá)可以獲得極高的角度、距離和速度分辨率。通常角分辨率不低于0.1mard也就是說(shuō)可以分辨3km距離上相距0.3m的兩個(gè)目標(biāo)(這是微波雷達(dá)無(wú)論如何也辦不到的),并可同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo);距離分辨率可達(dá)0.lm;速度分辨率能達(dá)到10m/s以內(nèi)。距離和速度分辨率高,意味著可以利用距離——多譜勒成像技術(shù)來(lái)獲得目標(biāo)的清晰圖像。分辨率高,是激光雷達(dá)的最顯著的優(yōu)點(diǎn),其多數(shù)應(yīng)用都是基于此。

  (2)隱蔽性好、抗有源干擾能力強(qiáng)

  激光直線傳播、方向性好、光束非常窄,只有在其傳播路徑上才能接收到,因此敵方截獲非常困難,且激光雷達(dá)的發(fā)射系統(tǒng)(發(fā)射望遠(yuǎn)鏡)口徑很小,可接收區(qū)域窄,有意發(fā)射的激光干擾信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)的概率極低;另外,與微波雷達(dá)易受自然界廣泛存在的電磁波影響的情況不同,自然界中能對(duì)激光雷達(dá)起干擾作用的信號(hào)源不多,因此激光雷達(dá)抗有源干擾的能力很強(qiáng),適于工作在日益復(fù)雜和激烈的信息戰(zhàn)環(huán)境中。

 ?。?)低空探測(cè)性能好

  微波雷達(dá)由于存在各種地物回波的影響,低空存在有一定區(qū)域的盲區(qū)(無(wú)法探測(cè)的區(qū)域)。而對(duì)于激光雷達(dá)來(lái)說(shuō),只有被照射的目標(biāo)才會(huì)產(chǎn)生反射,完全不存在地物回波的影響,因此可以“零高度”工作,低空探測(cè)性能較微波雷達(dá)強(qiáng)了許多。

 ?。?)體積小、質(zhì)量輕

  通常普通微波雷達(dá)的體積龐大,整套系統(tǒng)質(zhì)量數(shù)以噸記,光天線口徑就達(dá)幾米甚至幾十米。而激光雷達(dá)就要輕便、靈巧得多,發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的口徑一般只有厘米級(jí),整套系統(tǒng)的質(zhì)量最小的只有幾十公斤,架設(shè)、拆收都很簡(jiǎn)便。而且激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,維修方便,操縱容易,價(jià)格也較低。

  激光雷達(dá)的缺點(diǎn)

  首先,工作時(shí)受天氣和大氣影響大。激光一般在晴朗的天氣里衰減較小,傳播距離較遠(yuǎn)。而在大雨、濃煙、濃霧等壞天氣里,衰減急劇加大,傳播距離大受影響。如工作波長(zhǎng)為10.6μm的co2激光,是所有激光中大氣傳輸性能較好的,在壞天氣的衰減是晴天的6倍。地面或低空使用的co2激光雷達(dá)的作用距離,晴天為10—20km,而壞天氣則降至1 km以內(nèi)。而且,大氣環(huán)流還會(huì)使激光光束發(fā)生畸變、抖動(dòng),直接影響激光雷達(dá)的測(cè)量精度。

  其次,由于激光雷達(dá)的波束極窄,在空間搜索目標(biāo)非常困難,直接影響對(duì)非合作目標(biāo)的截獲概率和探測(cè)效率,只能在較小的范圍內(nèi)搜索、捕獲目標(biāo),因而激光雷達(dá)較少單獨(dú)直接應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)和搜索。

  激光雷達(dá)的特點(diǎn)及用途

  激光雷達(dá)的用途

  直升機(jī)障礙物規(guī)避激光雷達(dá)

  化學(xué)戰(zhàn)劑探測(cè)激光雷達(dá)

  機(jī)載海洋激光雷達(dá)

  成像激光雷達(dá)可水下探物

  無(wú)人駕駛激光雷達(dá)

  目前激光雷達(dá)的發(fā)展情況

  劉博:從應(yīng)用來(lái)看,激光雷達(dá)的種類繁多,可用于多種形式的探測(cè)。

  最早成熟的激光雷達(dá)技術(shù)是用于探測(cè)臭氧、二氧化硫、氣溶膠等的大氣探測(cè)激光雷達(dá)。2016年,在天宮二號(hào)和神舟11號(hào)的交匯對(duì)接中,利用激光雷達(dá)在兩個(gè)航天器對(duì)接過程中測(cè)量相對(duì)位置、角度等,保證精準(zhǔn)對(duì)接;還有我國(guó)發(fā)射的嫦娥三號(hào)上,在降落前用來(lái)掃描下方地貌,探測(cè)障礙物,這個(gè)屬于探測(cè)地形地障類的激光雷達(dá)。

  近幾年,隨著人工智能的發(fā)展,自動(dòng)駕駛、輔助駕駛的興起,推動(dòng)了激光雷達(dá)在民用領(lǐng)域中的應(yīng)用。

  從技術(shù)原理來(lái)看,用于民用的激光雷達(dá)主要有兩種類型:

  第一種是多束激光并排繞軸旋轉(zhuǎn)360o,每束激光掃描一個(gè)平面。早期的激光雷達(dá)為64線(即64束激光),那時(shí)已滿足自動(dòng)駕駛的需求,但因成本高達(dá)7萬(wàn)美元,未被市場(chǎng)接受。后來(lái)為了降低成本,有公司推出了32線、16線的激光雷達(dá)。但是成本的降低帶來(lái)的是分辨率的下降,這就容易在車輛駕駛過程中檢測(cè)障礙物時(shí)產(chǎn)生盲點(diǎn),帶來(lái)安全隱患。

  第二種是固態(tài)激光雷達(dá)。這種技術(shù)以美國(guó)Quanergy Systems公司的固態(tài)激光雷達(dá)傳感器S3為首,采用相控陣掃描方式,并不是常用的機(jī)械掃描方式。它不像第一種技術(shù)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng),可以大幅降低生產(chǎn)成本。但目前技術(shù)并不成熟,離產(chǎn)品市場(chǎng)化還有一段距離。

  有行業(yè)人士認(rèn)為,中國(guó)五年內(nèi)會(huì)改寫激光雷達(dá)的格局。您怎么看?

  劉博:這是一個(gè)比較樂觀的宣傳。激光雷達(dá)最大的優(yōu)點(diǎn)在于它能直接提供距離信息。平常我們看到的照片或者視頻是一個(gè)平面,這是XY二維空間,但是駕駛員最關(guān)心是距離,即Z坐標(biāo),這就屬于三維。

  

  國(guó)內(nèi)已有企業(yè)正在合作研究自動(dòng)駕駛激光雷達(dá),也有一些公司推出了產(chǎn)品,但是實(shí)際應(yīng)用效果如何,目前尚未看到成效。我國(guó)用于自動(dòng)駕駛的激光雷達(dá)的研究處于剛剛起步的階段。

  自動(dòng)駕駛的最大賣點(diǎn)在于可以把道路駕駛的事故率理論上降到零。因?yàn)樽詣?dòng)駕駛都是由計(jì)算機(jī)控制的,如果系統(tǒng)不出現(xiàn)故障,那么他就會(huì)嚴(yán)格遵守交通規(guī)則,不會(huì)出現(xiàn)走神、酒駕等狀況。但是一旦出現(xiàn)問題,例如之前的特斯拉事件,就會(huì)對(duì)自動(dòng)駕駛造成很大的打擊。

  激光雷達(dá)的光源有三種:二氧化碳激光器、半導(dǎo)體激光器和全固態(tài)激光器。您認(rèn)為哪種激光器光源最有前途?

  劉博:肯定是半導(dǎo)體激光器作為光源潛力最大。因?yàn)榘雽?dǎo)體激光器尺寸可以做到很小,成本比較低,符合作為汽車配置的需求?,F(xiàn)在我們看到的安裝在無(wú)人駕駛車頂?shù)哪切┘す饫走_(dá),例如Velodyne,最早并不是為自動(dòng)駕駛而設(shè)計(jì)的,只不過自動(dòng)駕駛正好用到了其中的一些功能,例如360o掃描。

  

  百度無(wú)人駕駛測(cè)試車使用了Velodyne的64線激光雷達(dá)

  我認(rèn)為,真正實(shí)用化后,這些都應(yīng)該集成到汽車的內(nèi)部,例如集成到車燈的位置,半導(dǎo)體激光器恰巧可以滿足這一條件。我相信最終成熟的樣式也一定是這樣的。

  國(guó)產(chǎn)激光雷達(dá)與國(guó)外差距有多大

  劉博:從技術(shù)上來(lái)說(shuō),我國(guó)民用激光雷達(dá)與國(guó)外技術(shù)相比并沒有太多差距。差距可能是在產(chǎn)業(yè)化和研發(fā)等方面,或者說(shuō)別人早走了一段時(shí)間,而我國(guó)剛剛開始做。

  我曾與國(guó)內(nèi)很多專家聊過。嚴(yán)格來(lái)說(shuō),現(xiàn)在市場(chǎng)上的激光雷達(dá)沒有一款是在誕生之初就專為自動(dòng)駕駛優(yōu)化設(shè)計(jì)的。國(guó)內(nèi)很多激光雷達(dá)廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品外形和性能都是模仿美國(guó)Velodyne公司產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。然而Velodyne公司早期主營(yíng)音響業(yè)務(wù),后技術(shù)升級(jí),才開發(fā)了激光雷達(dá)技術(shù)LiDAR并名聲大噪。但是它有些指標(biāo)超出了普通汽車的要求,帶來(lái)了高成本,而有些必需的指標(biāo)又沒有達(dá)到。

  其實(shí),我現(xiàn)在課題組正在做的工作之一就是從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)設(shè)計(jì)激光雷達(dá)系統(tǒng)。從2016年開始我們正在從事這個(gè)方向的研究,并與最終用戶和一些車主進(jìn)行了廣泛溝通,了解他們的需求。我們希望推出一款純粹為了自動(dòng)駕駛而優(yōu)化設(shè)計(jì)的激光雷達(dá)。這樣的話能節(jié)省的地方盡量節(jié)省,降低成本,不能節(jié)省的地方,提高指標(biāo),提升安全性。

  激光雷達(dá)技術(shù)推廣到民用階段還需要多久的時(shí)間

  劉博:應(yīng)該用不了太久。根據(jù)“2016中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)”正式公開的節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖的規(guī)劃,智能網(wǎng)聯(lián)汽車的市占率將實(shí)現(xiàn)2020年駕駛輔助與部分自動(dòng)駕駛市占率50%,2025年高度自動(dòng)駕駛市占率15%,2030年完全自動(dòng)駕駛市占率10%。我認(rèn)為,5年內(nèi)市場(chǎng)上會(huì)推出各種各樣針對(duì)自動(dòng)駕駛的激光雷達(dá)產(chǎn)品。

  您認(rèn)為激光雷達(dá)的市場(chǎng)前景如何

  劉博:激光雷達(dá)的市場(chǎng)非常大,而且很多同仁都在從事該領(lǐng)域的研究和開發(fā)。其實(shí)激光雷達(dá)最大的市場(chǎng)并不是自動(dòng)駕駛領(lǐng)域,而是用在服務(wù)類機(jī)器人的機(jī)器視覺上。無(wú)人機(jī)、服務(wù)類機(jī)器人,還有一些娛樂項(xiàng)目中進(jìn)行距離傳感捕捉的,這些方面的激光雷達(dá)市場(chǎng)會(huì)更大。目前國(guó)內(nèi)的一些高校、科研院所以及百度、華為等大型IT公司,產(chǎn)學(xué)研企都在研究。

  我認(rèn)為最終產(chǎn)品的開發(fā)模式,還是應(yīng)遵循研發(fā)端、用戶端與市場(chǎng),三方緊密結(jié)合,從最初的設(shè)計(jì)入手,這樣推出的產(chǎn)品才能平衡各方所需,發(fā)揮它的最大價(jià)值。

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2024-10-27 標(biāo)簽:遙感技術(shù)激光雷達(dá)深度學(xué)習(xí) 165 0

激光雷達(dá)在農(nóng)業(yè)中的創(chuàng)新應(yīng)用

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中,技術(shù)的進(jìn)步正在改變我們種植、管理和收獲作物的方式。激光雷達(dá)(LiDAR)技術(shù),作為一種高精度的遙感技術(shù),已經(jīng)成為這一變革的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。 1...

2024-10-27 標(biāo)簽:自動(dòng)化激光雷達(dá)三維信息 151 0

如何提升激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的精度

激光雷達(dá)(LiDAR,Light Detection and Ranging)是一種通過發(fā)射激光脈沖并測(cè)量其反射回來(lái)的時(shí)間來(lái)測(cè)量距離和速度的遙感技術(shù)。它...

2024-10-27 標(biāo)簽:光束激光雷達(dá)自動(dòng)駕駛 357 0

激光雷達(dá)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用

隨著城市化進(jìn)程的加快,城市規(guī)劃者面臨著越來(lái)越多的挑戰(zhàn),包括交通擁堵、環(huán)境污染、城市擴(kuò)張等。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn),城市規(guī)劃者需要準(zhǔn)確、詳細(xì)的城市數(shù)據(jù)來(lái)支持他們...

2024-10-27 標(biāo)簽:數(shù)據(jù)遙感技術(shù)激光雷達(dá) 111 0

激光雷達(dá)在無(wú)人機(jī)中的應(yīng)用實(shí)例

隨著科技的飛速發(fā)展,無(wú)人機(jī)技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)和科研領(lǐng)域的重要工具。無(wú)人機(jī)不僅在軍事領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,而且在民用領(lǐng)域,如農(nóng)業(yè)、測(cè)繪、環(huán)境監(jiān)測(cè)、物流配送...

2024-10-27 標(biāo)簽:傳感器無(wú)人機(jī)激光雷達(dá) 332 0

激光雷達(dá)在地形測(cè)繪中的作用

在地形測(cè)繪領(lǐng)域,精確和高效的數(shù)據(jù)獲取一直是工程師和科學(xué)家們追求的目標(biāo)。隨著科技的進(jìn)步,激光雷達(dá)(LiDAR)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,為地形測(cè)繪帶來(lái)了革命性的變化。...

2024-10-27 標(biāo)簽:測(cè)繪無(wú)人機(jī)遙感技術(shù) 307 0

激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

激光雷達(dá)(LiDAR,Light Detection and Ranging)技術(shù)是一種通過發(fā)射激光脈沖并接收其反射來(lái)測(cè)量距離和速度的遙感技術(shù)。它在多個(gè)...

2024-10-27 標(biāo)簽:遙感技術(shù)激光雷達(dá)自動(dòng)駕駛 360 0

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激光雷達(dá)數(shù)據(jù)手冊(cè)

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    毫米波雷達(dá),是工作在毫米波波段(millimeter wave )探測(cè)的雷達(dá)。通常毫米波是指30~300GHz頻域(波長(zhǎng)為1~10mm)的。毫米波的波長(zhǎng)介于厘米波和光波之間,因此毫米波兼有微波制導(dǎo)和光電制導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)。
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