最近的技術(shù)進步開啟了以數(shù)字形式捕捉物理世界的前所未有的方式。其中一種方式是光探測和測距，或激光雷達。許多應用和行業(yè)都采用了激光雷達技術(shù);應用范圍從地理調(diào)查到3D結(jié)構(gòu)映射和對象識別。行業(yè)包括制造自動化、安全、農(nóng)業(yè)等。所有這些應用和行業(yè)都利用激光雷達來降低成本，創(chuàng)造更安全的環(huán)境，提高效率，甚至做以前不可能的事情。為了更好地了解激光雷達的影響，重要的是要了解這項技術(shù)是什么，在它之前使用了什么，以及激光雷達允許我們實際測量什么，更重要的是，做什么。

在最基本的層面上，激光雷達是一個從物體上反射光線以檢測它們的系統(tǒng)。這歸結(jié)為系統(tǒng)的發(fā)射部分發(fā)出光，以及測量反射光返回時間的接收部分。這恰好是傳統(tǒng)雷達系統(tǒng)的工作方式，但有一個非常重要的區(qū)別——激光雷達系統(tǒng)的波長比最短的雷達波長短一萬倍。

激光雷達有什么不同？

更短的波長使我們能夠做雷達無法做到的事情嗎？較短的波長使我們能夠看到更高分辨率的圖像，這是由于物理限制，測量不能比用于測量的圖像更精確。即使有軟件和信號處理方面的技巧，也只有在使用長波長來做到這一點的情況下，您才能很好地表征某些東西。使用激光雷達較短的波長，我們可以掃描環(huán)境中的物體及其特征，而不僅僅局限于知道位置、粗略尺寸和速度。

想象一下，試圖在一個陌生的黑暗房間里導航。你通常比它被照亮時移動得更慢，你會用你的手去摸周圍的物體，以了解什么在哪里。采取同樣的場景，戴上一副乳膠手套、園藝手套或拳擊手套。這些手套中的每一副在各自的應用中都有價值，但在試圖在黑暗中導航時就沒有那么多了。

激光雷達不是已經(jīng)存在了幾十年嗎？什么是新的？

雷達已經(jīng)非常成功地使用了幾十年，并將繼續(xù)是無價的，但現(xiàn)在我們有一個額外的工具即將出現(xiàn)，它將使我們能夠進一步擴展我們感知這個世界上事物的能力。到目前為止，激光雷達僅限于大型和昂貴的應用（如專門的測量設備）或更小和更簡單的應用（如執(zhí)法部門使用的速度檢測設備）。

高性能激光雷達系統(tǒng)必須滿足某些標準。例如，發(fā)射部分需要以3 A至5 A的峰值脈沖激光器40 ns至80 ns，以使其對汽車具有吸引力 - 激光驅(qū)動器終于接近這些感興趣的指標，使LIDAR的這一部分成為現(xiàn)實。其他因素包括小型高效的電源管理、子系統(tǒng)的集成、廉價的高速數(shù)據(jù)處理以及用于理解所有這些數(shù)據(jù)的復雜軟件。我們提高激光雷達系統(tǒng)性能和降低功率預算的能力已接近在許多應用中使用它們的意義，而這些應用以前根本無法滿足需求。由于這種接近臨界質(zhì)量，在降低成本、尺寸和功率需求的同時提高性能的集體努力正在加速對該解決方案的吸引力。

與 1990 年代的微機電系統(tǒng) （MEMS） 革命一樣，如今的激光雷達正變得越來越小、更便宜、更通用。激光雷達和MEMS都花了很長時間才充分發(fā)揮其對其他系統(tǒng)和子系統(tǒng)的潛力。MEMS雖然在1950年代開發(fā)，但由于其成本、尺寸、功率需求和性能，從來都不是集成到許多系統(tǒng)中的實用選擇。直到1990年代的工藝技術(shù)成熟到足以滿足需求，MEMS才能夠擴散到以前從未夢想過的應用。同樣，激光雷達（1960年代初開發(fā)）現(xiàn)在才準備好滿足類似的需求。

目前正在發(fā)生變化的是設計和制造高性能激光雷達系統(tǒng)的各種因素的匯合。這些額外的因素幫助激光雷達滿足了其固有的限制，例如降低成本、解決尺寸和功耗問題以及提高整體性能。由于這些因素幫助激光雷達技術(shù)提高了性能，同時降低了開發(fā)成本，因此開始探索激光雷達應用的其他領域是有意義的。

圖2.分別在13年的時間里實現(xiàn)了激光雷達和MEMS技術(shù)的飛躍發(fā)展。

激光雷達允許我們做什么我們以前沒有做過的事情？

想象一下，當一個系統(tǒng)可以在更容易實現(xiàn)的價格點內(nèi)掃描表面時，可以開發(fā)什么樣的新技術(shù)。以下是激光雷達系統(tǒng)應用的一些最新創(chuàng)新：

娛樂

娛樂業(yè)的一個福音是能夠以數(shù)字方式繪制復雜的布景或?qū)ο?，從而在我們所知道的現(xiàn)實與軟件生成的現(xiàn)實之間進行更無縫的交互。例如，在電影或視頻游戲中，這允許人類演員將流暢的3D動作捕捉轉(zhuǎn)錄成一個虛構(gòu)的宇宙，直到現(xiàn)在，這個宇宙依賴于帶有傳感器的昂貴套裝（傳達有限的運動信息）或自制動畫（根據(jù)所需的細節(jié)，可能既慢又昂貴）。

地理調(diào)查

激光雷達在地理測量中的應用已經(jīng)有一段時間了，但這些系統(tǒng)的范圍和分辨率的增加使研究人員能夠發(fā)現(xiàn)步行調(diào)查不可行的古代遺址。不斷減小的尺寸和成本也使其對民用土地測量和工程更具吸引力，與傳統(tǒng)的土地測量方法相比，在速度、準確性、靈活性和安全性方面具有優(yōu)勢。

結(jié)構(gòu)與土木工程

在建造建筑物時，激光雷達可用于實時監(jiān)控施工進度，將這些測量值與當前原理圖進行比較，并允許更新這些原理圖。還可以掃描現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，以更好地了解完整性隨時間推移的演變，這將使我們能夠更恰當?shù)卦u估翻新或重建的需求。

運輸

自動駕駛的靈丹妙藥是增加低成本的激光雷達系統(tǒng)，以補充目前測量車輛周圍環(huán)境的儀器套件。激光雷達信號允許自主系統(tǒng)測量雷達無法測量的詳細表面特征（從而識別物體），并比傳統(tǒng)視覺系統(tǒng)更好地穿透天氣障礙物。

安全

用激光雷達系統(tǒng)裝備傳統(tǒng)上簡單的“我面前有東西嗎？”傳感器，可以知道在安全情況下如何以及何時做出響應。當類似人的物體進入其路徑而不是它設計用來處理的物體時，處理重物的機械臂將能夠更敏銳地做出反應。

農(nóng)業(yè)

多年來，人們一直使用簡單的傳感器來檢測筒倉中的谷物水平、作物狀態(tài)、燃料水平等。這些方法通常無法捕捉到更深層次的背景，例如谷物倒入筒倉時形成的土堆形狀及其測量位置（最高、最低、平均或任意點）如何影響存儲的利用效率。目前，使用傳統(tǒng)方法捕獲此信息的唯一方法是使用多個傳感器，這本身具有分辨率限制，同時增加了制造成本。能夠隨著時間的推移以精細的細節(jié)捕獲整個作物的生長情況，可以提供重要的數(shù)據(jù)，并可以實時和為未來的作物提供栽培實踐信息。激光雷達還可以幫助優(yōu)化自動化機械在作物收割中的運動。

自動化

精確了解物理結(jié)構(gòu)為機器人技術(shù)增加了巨大的價值，機器人可以更準確、更適當?shù)靥幚砀鞣N尺寸和幾何形狀的物體。這可以外推到涉及重復處理或分揀的任何制造或倉庫環(huán)境。擁有這些額外的信息還可以放寬制造中不必要的嚴格公差，從而節(jié)省生產(chǎn)和質(zhì)量控制成本。

前面討論的應用程序是目前正在開發(fā)或已經(jīng)開發(fā)的應用程序。與人類努力一樣，不可能知道人們會想出哪些其他創(chuàng)造性和有用的方法來使用激光雷達等技術(shù)。

審核編輯：郭婷