LiDAR傳感器（一）-概述

LiDAR(light detection and ranging)激光雷達是一種非接觸式探測和測距方法。該技術通過發射光脈沖擊中附近物體后測量反射回波信號的特性來精確地計算每個物體的距離。LiDAR傳感器可以用作點狀距離測量系統，用來實現目標的距離測量（一維結果）；也可以讓測量光束在某一平面上旋轉或者移動，用來獲得距離和角度數據，從而提供測量目標的二維結果；也可以通過采用多個傳感器，形成同時掃描多個層面的傳感器陣列，從而測得X，Y，Z的點云數據（三維結果）。

LiDAR被廣泛應用在地形建模（例如：立體制圖、采礦、林業、考古學、地形測量），近年來Lidar也被應用在無人駕駛以及消費電子中。

LiDAR在地形建模上的應用

LiDAR系統根據載體的不同，分為星載、機載和地面三種模式。

其中，星載和機載LiDAR多用于中、小比例尺地形測量，如1:50000、1:100000等地形圖繪制等。

機載LiDAR系統沿航線采集地面點三維數據之后，可生成LiDAR數據影像和地面高程模型。在不同的實地條件下， LiDAR系統的平面精度可達到0.15 至1米，高程精度可達到0.1米，間隔可達到2-12米。機載LiDAR可應用于快速獲取大范圍林業信息，如樹木定位、樹高計算等；也能夠應用于礦業領域，快速獲取礦山的復雜表面和高危區域的空間三位信息，為礦山地形測量和數字礦山的建設提供了新的技術手段。

2003年，NASA根據早先提出的采用星載激光雷達測量兩極地區冰面變化的計劃，正式將地學激光測高儀列入地球觀測系統中，并將其搭載在冰體、云量和陸地高度監測衛星上發射升空運行。 而地面LiDAR適合更精細、更高精度的復雜地物量測，如古建筑的三維城市建模、復雜場館測量等。

LiDAR在消費電子中的應用

LiDAR在消費電子中的應用主要分為以下三部分。

AR應用：憑借激光雷達快速測距特性，可讓設備快速進入AR應用環境，減少等待時間；同時由于激光雷達更精準的測距表現，可以讓AR應用虛實結合更逼真，提供更良好的遮擋表現等等；

優化拍照：由于可以測量環境距離，就可提升低光環境的自動對焦速度。

3D掃描：基于高精度測距，可以呈現細節更良好的3D掃描效果。搭載有LiDAR的智能手機和平板電腦成為3D掃描的工具，比如用于家庭布局的掃描從而對家庭裝修做出優化，或者將掃描的風景應用于社交媒體或者新聞業領域。

LiDAR在自動駕駛中的應用

在環境感知中，每一種傳感器都有獨特的優勢和劣勢。例如，毫米波雷達可靠性高，可以探測物體距離與速度，不受天氣影響可全天候全天時工作，但分辨率不高，不能區分人和物；而攝像頭很高的分辨率，能夠識別顏色和字體，有助于檢測道路標志、交通信號燈以及行人，但受黑夜、強光影響較大；激光雷達則能夠提供三維感知信息，對環境的重構能力強，可進行實時定位和高精度障礙物的分類和檢測，但受天氣環境影響大。這三種傳感器各有優劣，既難以互相替代，又缺一不可。隨著自動駕駛不斷向更高智能化、自動化等級發展，集成在汽車上傳感器數量和種類將不斷增加，業界普遍認為“傳感器融合（sensor fusion）”可顯著提高系統的冗余度和容錯性，從而保證決策的快速性和正確性，是實現高度自動化駕駛安全性的關鍵。

LiDAR傳感器（二）-構成

LiDAR(light detection and ranging)激光雷達是一種非接觸式探測和測距方法。該技術通過發射光脈沖擊中附近物體后測量反射回波信號的特性來精確地計算每個物體的距離。它是由以下部件組成的傳感器系統；激光器(laser)發出特定波長的激光，經過旋轉機構(scanning)實現區域的快速掃描，反射回來的激光經過濾光片(spatial & spectral filter)濾除環境干擾，最終通過光電檢測器（photodetector）將光信號轉換成易測量的電信號進行檢測。

LiDAR一般由以下幾個部分構成

激光器（Laser）

旋轉機構（scanning）

濾光片（spatial & spectral filter）

光電檢測器（photodetector）

1. 激光器(laser)

激光器是激光雷達中的激光發射裝置。常用的激光器有以下三種類型

激光二極管是常用的激光源，其結構緊湊，通常情況下其發出的波長為905nm。激光二極管通常用在激光測距儀中，但是由于其發射能量有限，采用此激光器的LiDAR的測試范圍為幾百米。

光纖激光器在近紅外區可以產生1064nm(鐿)和1550nm(鉺)的激光，光纖激光器結構緊湊而且發射能量比激光二極管更高，可達到幾百微焦。

Nd:YAG晶體激光器可以同時實現高發射能量(幾毫焦)和短的脈沖時間(ns級)，非常適合用于dTOF的長距離測量。最常見的發射頻率對應的激光波長為1064nm，也可以將頻率翻倍(2倍或3倍)來得到532nm(可見光)波長的激光和355nm(UV)波長的激光。不過，此類激光器的體積會更大而且必須有主動散熱的器件。

Technology	Wavelength	Energy	repetition frequency	Pulse duration
激光二極管	905nm	<10μJ	several KHz	30-200ns
Er光纖激光器	1550nm	<400μJ	several 10 KHZ	5-100ns
Yb光纖激光器	1064nm	<200μJ	several 10 KHZ	5-100ns
DPSS Nd:YAG	1064,532,355nm	<60,30,10mJ	<100HZ	5-10ns

激光器的選擇需根據使用場景來選擇，例如用于林業探測的機載Lidar，發射波長的選擇取決于大氣透射率以及植被反射率；而測深測繪通常采用藍綠色波長的激光，該波長對水的穿透性有利于準確的測量。同時還需要考慮整體裝置緊湊性、穩定性、發射能量、人眼安全性等方面的要求。

在林業測量領域，從energy link budget(確定的發射能量下，收到的信號的能量大小)考慮，由于大氣的散射率以及植物對光的吸收率都和波長強相關，近紅外的波長比UV波長的光更有優勢。

在LiDAR使用過程中，太陽光或者其他熱輻射也會直接或通過散射進入激光檢測器，形成背景噪聲。環境熱輻射在近紅外區的占比很低，因此1550nm的激光器受背景噪聲的干擾最小。

EN 60825-1 標準規定了眼睛允許的極限激光輻射值，該值隨波長的變化而變化。波長在310nm至400nm,以及高于1400nm時，眼睛能承受的最大激光輻射值更高。

2.旋轉機構（sacnning）

為了對大范圍區域進行迅速的激光掃描，通常需要使用旋轉機構來改變激光的測量方向。最終得到的點云密度和旋轉機構的旋轉速度以及激光器的repetition frequency有關。

不同的旋轉機構得到的點云掃描軌跡也不一樣。以機載LiDAR為例，簡單的旋轉鏡或者是擺動鏡無法得到均勻的點云掃描軌跡，而旋轉多面鏡和兩軸鏡可以得到均勻的點云掃描軌跡。

3.濾光片(spatial & spectral filter)

由于白天環境光在全波長范圍內均會產生背景噪聲，可以通過濾光片在空間和波長上對背景噪聲進行濾除。

spatial filter可將后續激光檢測器的視場精確地限制在激光束行進的空間內。

spectral filter用來約束進入激光檢測器的光的帶寬，從而濾除背景噪聲，spectral filter的帶寬一般在0.5-10nm的范圍內。當入射光線不是垂直入射spectral filter時（設定垂直入射時θ=0），由于偏移角度的影響，波長會發生偏移，λc,θ=λc,θ * cosθ。由于可通過濾光片的波長帶寬有限，因此濾光片的入射角度會有限制，角度限制為Δθ=2(Δλ/λc)；Δλ為濾光片的帶寬。例如；1nm帶寬的近紅外(1064nm)濾光片，入射角度變化只允許在±1.5°。

4. 光電檢測器（photodetector）

激光檢測器檢測從目標物體反射回來的激光脈沖，將光信號轉換成易測量的電信號。

不論是雪崩光電二極管(檢測近紅外波長)，還是光電倍增管(檢測可見光/UV光)，都會通過放大器放大信號（每入射一個光子，可以產生10-10000個電子）。需要用放大器放大信號的原因是避免太小的模擬信號在后續的ADC轉化過程中淹沒在了量化噪聲中。

光電檢測器的選型也會影響LiDAR的空間分辨率，當光電檢測器需要的檢測時間長時，空間分辨率會降低。

總結如下：

component	作用	備注
Laser	發射激光	不同的應用場景會選擇不同的激光波長（環境對于光的吸收率和波長有關，環境熱輻射的分布和波長有關，人眼能承受的最大激光能量和波長有關） 不同的應用場景會選擇不同發射能量的激光器 不同的激光器的尺寸大小不一樣，有些激光器需要主動散熱裝置 不同激光器的repetition frequecy會影響點云密度，即空間分辨率
Scanning	完成對整個區域的快速掃描	不同的旋轉機構獲得的點云掃描軌跡不一樣
Filter	濾除環境帶來的背景噪聲	spectral filter允許的入射角度和其帶寬有關
Photodetector	將反射回來的光信號轉化為易測量的電信號	需要放大器放大信號，避免在ADC轉化過程中信號淹沒在量化噪聲中 會影響LiDAR的空間分辨率

LiDAR傳感器（三）-原理

LiDAR(light detection and ranging)激光雷達是一種非接觸式探測和測距方法。該技術通過發射光脈沖擊中附近物體后測量反射回波信號的特性來精確地計算每個物體的距離。其測距原理可分為以下三大類

三角測距法

dTOF測距法

iTOF測距法

1. 三角測距法

激光器發射激光，在照射到被測物體上后，發射回來的光線被CCD接收，按照光學路徑，不同距離的被測物體將會成像在CCD上的不同位置。按照相似三角形的公式計算，即可得到被測物體的距離。

上圖中A為激光器，O為被測物體，B為接收透鏡，f為接收透鏡和CCD之間的間距，L為發射透鏡光路光軸和接收透鏡主光軸之間的偏移，X為在接收CCD上的位置偏移。

距離D=f*(L/X)

三角法測距的分辨率可以通過下面的公式推導：

當CCD的感應分辨率為δX=X1-X2時，測距分辨率為

δD=D2-D1=f*(L/X2)-f(L/X1)=f*L(X1-X2)/X1/X2

由于X1和X2的差值很小

δD≈f*L*δX/(X^2)

由于D=f*(L/X)，即X=f*L/D

δD≈f*L*δX/(X^2)=D^2*δX/(fL)

測距分辨率隨著距離的增加成二次指數形式惡化，因此三角法測距對遠距離的測距精度較差。故三角法測距的LiDAR在標準精度時往往采用百分比進行標注（如1%，即為在20m的測量距離時最大誤差為20cm）

2.dTOF測距法

dTOF(direct Time-of-Flight)測距的核心原理是激光器對被測物體發射一束時間極短的激光，通過直接測量激光發出，達到被測物體再返回到光電探測器的飛行時間，來計算被測物體的距離。

由于光的速度極快，因此該方案需要一個高精度的時鐘電路(通常是ps級)和脈沖時間極端的激光發射源(通常為ns級)。

測距開始時，脈沖驅動電路驅動激光器發射一個持續時間極端但瞬時功率非常高的光脈沖，同時計時單元啟動計時；光脈沖經發射電路發出后，達到被測物體表面并向各方向散射；接收光路收到部分散射的光，通過光電器件將光信號轉化成電信號，輸送給回波信號處理電路；回波信號處理電路將光電流轉化成電壓信號，用于觸發計時單元停止計時。即可得到激光飛行時間T，從而計算出被測物體的距離：

D=cT/2， c為光速

dTOF LiDAR的原理為計算飛行時間，時間測量精度并不會隨著測量距離的增減而有明顯的變化，因此大多數dTOF雷達在幾十米的測量范圍內都能保持厘米級的精度。

dTOF還可以通過在單次測量時間內發射和接收N次光信號，然后對記錄的N次飛行時間做直方圖統計，用其中出現頻率最高的飛行時間來計算被測物體的距離，從而來減小測量誤差。

對于dTOF而言，當測量距離較遠時，光飛行一個來回的時間如果超過了兩次連續發射脈沖的間隔，傳感器在發射第二個測量信號后，才會接收到第一個測量信號的反射波，就會把該反射波誤認為是第二個測量信號的近距離反射波，這時就會出現相位模糊現象。在測量遠距離物體時，可以減少測量次數，適當增加兩次測量之間的間隔，從而避免相位模糊的問題。但是，減少測量次數會同時降低測量精度，相當于用精度換取有效探測距離。

dTOF除了對時鐘電路以及激光源有著非常高的要求，對回波產生的脈沖信號的精度也有很高的要求(普通的光電二極管難以滿足這樣的要求，滿足要求的SPAD-signal photo avalanche diode的生產制作工藝復雜)。因此有更多的廠商在研究推廣iTOF。

3. iTOF測距法 3.1 調幅法

iTOF(indirect Time-of-Flight)測距中常用的方法為相位式激光測距。

相位測距是將發射的連續的激光進行幅度調制（調制光的光強隨時間做周期性變化），被測量物體發射后，激光產生相位變化。根據相位差可以間接的測量時間和距離，比dTOF直接測量時間所需的器件要求有所降低，信號處理難度也降低了很多。

檢測出接收波和發射波之間的相位變化?后，即可得到被測物體的距離D

D=?*C*T/2π

C：光速

T：調制信號的周期時間

在實際的單一頻率測量中，只能分辨相位小于2π部分而無法得到超過一個周期的測距值。所以，在測量時需要根據最大的測量量程來選擇調制頻率，例如當選擇調制的信號頻率為100KHz時，所對應的測量量程就是1500m。

當所設計的系統測相位分辨率一定時，距離的分辨率δD=Δ?*C*T/2π，即選擇的頻率越大，所得到的距離分辨率就越高。所以在單一調制頻率下，大量程和高精度是不能同時滿足的。

低頻調制對應于遠距離的測量，但是精度較差；而對于高頻調制對應于近距離測量，精度較好。因此，高低頻復用既可以用于探測遠距離，也可以得到較好精度。如下圖所示，可以使用幾個不同的調制頻率去確認哪個距離才是真實的距離，這種方法低調制頻率的部分可以提供無歧義的距離估計，而高調制頻率的部分可以提供更高的精度，兼顧了測量距離和測量精度的需求。

由于相位式測距發射的激光為連續波，這使得它的平均功率遠低于脈沖激光的峰值功率，因而無法實現遠距離目標的探測，通常適用于中短距離的測量，測量精度可達毫米、微米級。

相位法激光測距的精度主要取決于相位測量的精度，目前的相位測量主要基于數字DSP實現，即不是鑒別單一時刻的相位，而是通過FFT(傅里葉變換)去鑒別兩端信號的相位，這樣可以充分抑制噪聲的影響，提高相位測量精度。

3.2 調頻法

除了調幅(AMCW)式LiDAR，在汽車領域經常使用調頻(FMCW)LiDAR進行距離和速度的測量。

下圖為頻率調制的連續波雷達，第一個是時域信號，第二個是頻率信號，可以看出調頻信號的頻率和信號的持續時間Tc是呈線性關系，因此這樣的調頻連續波又稱為線性調頻連續波(LFMCW)。

上圖中B為帶寬(bandwidth：信號連續頻帶中最高和最低頻率之間的差值)，Tc為信號持續時間，S為信號斜率(S=B/Tc)。

調頻LiDAR的基本原理如下圖所示，發射信號和回波信號之間的頻率差稱之為中頻信號IF(intermediate frequency)，這里的中頻信號是一條直線，表示頻率單一，測量目標的距離不一樣，返回的時間也就不一樣，因此中頻信號的平呂也就不一樣。所以可以說距離和中頻信號是成正比相關的。

測量的距離D可通過下述公式計算出

D=c*τ/2

中頻信號的頻率 fc=S*τ=B*τ/Tc

即

D=fc*c*Tc/2B

其中c為光速，fc為中頻信號頻率，Tc為信號持續時間，B為帶寬。

由于中頻信號還是模擬信號，要進行計算還需要經過ADC轉換成數字信號送入處理器。由于ADC的采樣頻率有限制，所以中頻帶寬會受ADC的采樣頻率所限制。由公式D=fc*c*Tc/2B可知：在ADC采樣率不變的情況(最大中頻信號頻率一定)下，調頻LiDAR的探測距離與發射信號的斜率成反比關系，如果發射周期固定不變，那么探測距離和發射信號的帶寬成反比關系。

Lidar需要具備區分兩個距離非常近的目標的能力，例如，當雷達的距離分辨率為4m時，它就不能分辨相距1m的行人和汽車。

假設了兩個相距很近的目標，被雷達探測到，兩個回波信號和發射波形混頻后就得到了兩個中頻信號，這兩個中頻信號的時間T相差很小，因此中頻信號的頻率相差很小。

通過傅里葉變換可以將時域信號轉換為頻率信號，從而得到中頻信號的頻率。如下圖a所示，如果LiDAR的頻率分辨率較差，即兩個目標的頻率信息難以分辨，則無法分辨兩個相近的目標；如下圖b所示，如果有能力分辨兩個物體，則可在頻率信息中看到兩個分離的頻率峰。

根據傅里葉變換的頻率分辨公式可知，頻率分辨率

Δf=fs/N=1/(Nts)=1/T

其中fs為采樣頻率，N為采樣點數，ts為采樣間隔，fs=1/ts，Nts就是采樣前模擬信號的時間長度T，所以信號長度越長，頻率分辨率越好。

在FMWC LiDAR中采樣的時間長度為Tc，即

Δfc≥1/Tc

Δfc=2BΔD/(c*Tc)

即：

2BΔD/(c*Tc)≥1/Tc

ΔD≥c/2B

故FMWC LiDAR的距離分辨率取決于發射信號的帶寬，帶寬越大，距離分辨率也越大。而當帶寬一樣時，無論信號持續的時間如何變化都不會影響LiDAR的距離分辨率。

總結如下

審核編輯黃昊宇