激光雷达(LiDAR)简介

激光雷达(LiDAR)是现代激光技术与光电探测技术相结合的产物。LiDAR 这个词最初是 Light 和 Radar(光和雷达)的融合,因此被称为“光达”。现在更多的解释是 Light Detection And Ranging(光感测距技术)的缩写,有时也被认为是 Light Imaging, Detection, And Ranging(光成像,检测以及测距)的缩写。

顾名思义,激光雷达(LiDAR)以激光器为发射光源,发射高频率激光脉冲到被测物表明;以光电探测器为接收器件,接收被测物表面返回的回波信息。在工作原理上,LiDAR 与传统的微波雷达相似,区别在于 LiDAR 以激光(目前多采用 532 nm、905 nm、1064 nm、1550 nm 波长)为载体来测距、定向,并可通过位置、径向速度、物体散射等特性来识别地物目标。LiDAR 的功能非常多、应用广泛,例如地形探测、深海探测、辅助驾驶等。

激光安全等级

说到激光,大家可能会想到激光切割、激光焊接、激光手术等具有杀伤力的场景。实际上,激光是分等级的,根据激光对使用者的安全程度,可分为以下四个等级。

等级 安全性 功率/mW 特点
I 安全 < 0.4 对人眼睛无危害;用于激光演示、显示;测绘、准直及调平等。
II 一定危害 0.4 ~ 1.0 直视会晕眩,需要通过眨眼来保护,避免用远望设备观测,也可用于激光显示。
III a 危害 1.0 ~ 5.0 不能直视,不能照射人眼,作业时要避开行人。
III b 危害 5.0 ~ 500.0 直视危险,照射眼睛会更危险。
IV 非常有害 > 500.0 高能量连续激光,有火灾危险;用于外科手术及激光切割、焊接等机械加工。

激光雷达特点

激光雷达使用激光测距的原理探测物体,与摄像机测量相比,获取数据的形式不同。前者直接获取三维点云(Point cloud),后者获取照片或影像。在数据获取方面,LiDAR 系统通过测距和导航定位定向系统(position and orientation system,POS)直接计算地物目标的三维坐标。摄影测量对环境光线、温度等要求较高,而激光测距则对这些因素不敏感,因此在数据解算方式、测量精度和测量环境的要求等方面具有优势。

总的来说,激光雷达具有如下优点:

  • 主动遥感技术。
  • 获取地物三维空间信息快速、直接。
  • 方向性好,角度、距离和速度分辨率高。
  • 对电磁干扰不敏感,抗干扰能力强。
  • 低空探测性能好。
  • 穿透性强。

当然,激光雷达也有缺点:

  • 首先,激光也会受大气的影响,如在大雨、浓烟、浓雾等恶劣天气或环境下激光脉冲会急剧衰减,大气湍流也会降低激光雷达的测量精度。
  • 其次,激光雷达的波束窄,搜索目标困难,影响目标的截获概率和探测效率。
  • 最后,激光雷达获取的离散三维点云是其优势,但相对于传统二维遥感影像,在地物目标分类方面稍逊色。

应用场景

激光雷达的应用场景主要有车载、机器人、工业等控制领域,具体如下:

  • 车载
    • 乘用车
    • Robotaxi、Robotruck、Robobus
  • 移动机器人
    • 配送机器人
    • 清扫机器人
    • 巡检机器人
  • 工业
    • 勘探测绘
    • 安防
    • 军事