激光彩打(激光彩打原理)

编者按:半个世纪以来，光和电在戴岳身上熠熠生辉。中国科学院之声、中科院光电所联合开设“流光溢彩”科普专栏，讲述生活中光电科学的有趣故事，传播最生动的光电知识，展示最前沿的光电进展。

随着人工智能的发展，自动驾驶不再是想象中的场景。你知道汽车是如何看清周围环境，实现自动驾驶的吗？这就不得不提机器人的“眼睛”——3D成像激光雷达。激光雷达，顾名思义，是一种借助激光测量物体距离的主动探测和遥感装置。类似于微波雷达，人们最早是从蝙蝠身上找到灵感的。与它们相比，激光雷达测距精度更高，能看到物体更细致的特征，因此在日常生活中应用广泛。

和蝙蝠雷达(图片来自网络)

自动驾驶汽车(图片来自网络)

20世纪六七十年代，发达国家开始了激光雷达在三维成像领域的研究。如果把激光雷达对物体的成像比作盲人触摸一幅图像，那么我们可以把“触摸一幅图像”的过程分为两步:首先我们知道图像的位置和距离，然后通过对图像的不断摸索，就可以确定图像的外观。这对应了三维成像激光雷达的两大部分:激光测距和激光三维成像。

激光雷达的测距方法有哪些？

众所周知，距离=速度×时间，激光雷达的测距过程离不开这个公式。在空中，已知激光的飞行速度为3× 108m/s，现有的激光雷达测距方法有很多。除了直接测量激光脉冲的飞行时间，还可以通过调制发射激光信号的幅度和频率来间接获得目标的距离信息。

用激光雷达测距离，要针对不同的应用场景对症下药。

“激光测距中的千里眼”——脉冲激光测距法

脉冲激光具有高峰值功率的特点，使其在空之间传播很长的距离，因此脉冲激光测距方法可以测量远距离目标。非常远。有多远？目前人类历史上激光测得的最远距离是地月距离，他们采用的是脉冲激光测距法。自2019年6月以来，中国秦天项目团队已多次成功测量地球与月球之间的距离。通过精确计时脉冲飞行时间，发现地月距离在公里到公里(椭圆轨道)之间波动。

(图片来自网络)

激光测距是一种比较成熟的测距系统，不仅可以用于探测远距离目标，还可以测量几公里甚至几十米的场景。目前这种方法多用于自动驾驶，测距精度可以达到厘米级，对于大部分应用场景来说已经足够。

自动驾驶激光雷达(图片来自互联网)

“透视”相位激光测距法

对于那些对测距精度要求较高的应用场景，比如“空交会对接中的最后进近段”，厘米级的测距精度已经不能满足他们的要求，需要使用相位激光测距法进行测量。

空之间的交会对接(图片来自网络)

激光测距发射调制的连续激光信号，通过测量回波信号和发射信号之间的相位差来确定目标的距离。与脉冲激光测距相比，相位激光测距法具有更高的测距精度，其测距精度可达毫米级。但由于相位测距发射的激光是连续波，其平均功率远低于脉冲激光的峰值功率，因此无法探测远距离目标。我们生活中常用的手持式激光测距仪大多采用相位激光测距的方法。

相位激光测距仪(图片来自网络)

“追你测”调频连续波激光测距法

如果目标在移动，我们除了距离还想知道目标的速度，怎么办？随着航天技术的发展，保证航天器安全软着陆已成为一个重要问题。单脉冲激光测距和相位测距只能获得目标的距离信息。为了获得它的速度，至少需要两次测量和两次测量之间的时间间隔来计算。以这种方式计算的平均速度的精度远远低于激光多普勒测速雷达的精度。

调频连续波激光测距法可以解决这个问题。它不仅可以测量距离，还可以测量速度，因此可以用来测量相对运动速度较高的目标的距离。NASA在2006年为重返月球和探索火星而提出的自主着陆与避障计划(ALHAT Plan)正好采用了这种测距方式。该雷达在2008年和2010年进行了飞行测试，取得了良好的效果。

Al plan(图片来自网络)

激光雷达如何成像？

经过“盲人摸象”的第一步，我们已经成功地找到了“大象”的位置和距离。下一步应该如何知道「大象」的长相？这是激光雷达成像过程中要解决的问题。简单理解，激光雷达三维成像实际上是在测量目标各点距离的基础上，获得各点与雷达之间的水平角和俯仰角，从而得到目标的三维信息。根据获取目标各点三维信息的方式，激光成像系统主要包括扫描激光成像和面阵激光成像。

“让激光动起来”的扫描三维成像

目前，扫描激光成像方法已经相当成熟，广泛应用于地形测量、工程建设和汽车导航等领域。它利用单点激光测距和快速光束扫描装置获得目标上各点的距离信息，然后将这些距离信息与相应光束在该点指向的方位角和俯仰角相结合，获得目标的距离-角度-角度图像，也称三维图像。

扫描激光三维成像

美国国家航天局(NASA)开发了ICESat星载激光雷达成像系统，用于测量冰盖的质量平衡、冰盖的高度和海冰的厚度，以及陆地地形和植被的特征。ICESat于2003年1月13日成功发射。它以激光测距为基础，利用卫星平台的运动实现对地球表面的单点扫描成像。在轨道上工作了7年后，ICESat于2010年完成了地球表面大部分地区的激光测绘。

ICESat激光单点扫描成像(图片来自网络)

扫描3D成像也广泛应用于自动驾驶。为了提高扫描速度，市面上的车载激光雷达往往采用发射激光阵列的形式进行扫描成像，也称为多波束成像。其中，威力登公司以360°旋转多波束激光雷达为主要产品，扫描线数达到16线、32线、64线。是机械旋转加多线扫描成像的典型代表，技术相对成熟。

威力登多线扫描成像激光雷达(图片来自网络)

“我一眼就能看穿你”的三维成像

除了这种扫描穿越目标的成像方法，还有没有其他更方便的成像方法，可以一键获得目标的三维信息？

是啊！

阵列激光成像是实现这一目的的快速成像方法。与需要逐点扫描测距的扫描激光成像相比，面阵激光成像只需发射一次激光脉冲就能获得完整的三维图像。如果把扫描成像方法比作手指摸索目标的全貌，那么面阵成像就像是用一只巨大的手掌直接覆盖目标。同时，由于没有扫描结构，使得面阵系统的整体结构更加紧凑和小巧。根据探测器的不同，面阵三维成像大致可以分为APD阵列和CCD相机两种探测模式。

APD阵列的每个像素是一个单点激光测距单元，可以直接给出其对应的距离信息。20世纪90年代末，美国麻省理工学院林肯实验室(MIT/LL)采用盖革模式的雪崩光电二极管焦平面阵列(GM-APD FPA)作为平面阵列三维成像激光雷达的探测器，其阵列规模日益增大，从4×4、8×8到128×32甚至256×256。2003年，MIT/LL对地面目标进行了机载3D成像实验和机载植被穿透实验。实验表明，采用焦平面探测器的面阵三维成像激光雷达能够快速获取目标的三维图像，有效识别森林中隐藏的坦克。

基于APD阵列的三维成像激光雷达探测密林中隐藏的坦克(图片来自网络)

2018年，中科院光电技术研究所提出了基于偏振调制的激光三维成像方法，使用EMCCD相机作为探测器，提高了系统的探测灵敏度。同时利用偏振调制技术，从EMCCD拍摄的图像灰度信息中获取脉冲的飞行时间，从而实现距离测量。该系统只需发射一个脉冲即可获得一幅三维图像，因此可用于高速运动平台或高动态目标的三维成像。

中国科学院光电研究所研制的偏振三维成像

虽然平面阵列3D成像具有快速的成像速度并且不需要扫描结构，但是它将系统接收的回波功率均匀地分配到每个检测像素。检测像素越多，散射到每个像素的回波功率越低。因此，面阵成像系统的测距范围比单点扫描测距系统小得多，一般只适用于相对较短距离的成像探测。

与传统的被动相机相比，激光三维成像系统不仅可以获得目标的强度信息，还可以获得更丰富的距离信息。与微波雷达成像系统相比，它具有全天候、高测量精度和高分辨率的特点，因此在现代成像领域发挥着越来越重要的作用。随着现代科技和社会的发展，相信3D成像激光雷达在未来会有更大的应用前景！

资料来源:中国科学院光电技术研究所