作者
劉博*、於洋、姜朔、郭廣盟
中國科學院光電技術研究所
據MarketsandMarkets發佈的最新2024年激光雷達市場的全球預測研究報告，激光雷達市場規模預計將從2019年的8.44億美元增長到2024年的22.73億美元，2019年－2024年的複合年增長率為18.5％。
激光雷達市場前景依然可期，下文小光就帶大家一起了解激光雷達的原理、激光測距及三維成像技術分類等。
什麼是激光雷達？
傳統雷達技術利用無線電波的方法發現目標並測定其空間位置，其原理是雷達設備的發射機通過天線把電磁波能量射向空間某一方向，電磁波遇到物體將會發生反射；雷達天線收集被反射的電磁波，送至接收設備進行處理，提取有關該物體的某些信息。雷達可謂是千里眼和順風耳，使得人們能發現數千米之外的目標。自二十世紀六七十年代起，隨著激光技術和探測器件的發展，激光雷達技術應運而生。
激光雷達是一種以激光為發射源，可以精確、快速獲取目標三維空間信息的主動探測技術。通過將激光掃描系統、衛星定位系統和慣性導航系統的結合，激光雷達技術可獲得目標的三維立體圖像，並具有快速、高效和精準的顯著優勢，被廣泛應用於軍事、航空航天以及民用三維傳感等領域。與普通微波雷達相比，激光雷達技術具有以下優點：
- 可以獲得極高的角度、距離和速度分辨率，因此可以利用距離—多譜勒成像技術來獲得目標的清晰圖像；
- 隱蔽性好、抗有源干擾能力強，激光具有直線傳播、單色性好、方向性強、光束窄等特點，只有在其傳播路徑上才能接收到，因此敵方截獲非常困難，不易受激光干擾信號影響；
- 低空探測性能好，相較於微波雷達的低空探測盲區，激光雷達對只有被照射的目標才會產生反射，不存在地物回波的影響；
- 體積小、質量輕，通常普通微波雷達的體積龐大，整套系統質量數以噸記，而激光雷達發射望遠鏡的口徑一般只有釐米級，整套系統的質量最小的只有幾百克，這也使得機載、車載激光雷達具有廣闊的應用前景。
1960年美國休斯飛機公司的科學家梅曼研製出了第一臺激光器，1961年發展出了第一臺軍用激光測距儀，進而激光雷達由最初的激光測距逐步發展成為現在的激光測速、激光跟蹤和激光成像技術。激光雷達三維成像系統按照成像體制可以分為掃描式成像系統和麵陣成像系統兩種。在對激光成像體制探討之前，有必要對激光測距的基本原理進行了解。
常見的激光測距技術及性能
直接脈衝飛行時間探測
直接脈衝飛行時間（Time of Flight，ToF）探測顧名思義就是直接測量激光脈衝從發射到經過目標散射後返回雷達的往返時間 t，已知激光在大氣中的傳輸速度c，得到被測目標的距離 r = ct/2，如下圖所示。
激光雷達探測示意圖
根據雷達系統選擇線性探測器或者單光子探測器，又可以將直接脈衝測距技術細分為線性探測和光子計數探測。線性探測模式下，探測器的電脈衝響應與入射光強呈線性關係，每一發激光脈衝都能獲得一個隨時間變化的回波波形，能夠獲得更為豐富的目標信息。而在光子計數探測模式下，探測器工作在蓋革模式，具有單光子級靈敏度，一個信號光子即能觸發一次電脈衝響應，但此時探測器只能響應回波信號的有無，不能提供信號的強度信息。對於探測靈敏度極高的光子計數探測激光雷達，也稱為“單光子”探測激光雷達。
線性探測 VS 光子計數探測
幅度調製連續波探測
幅度調製連續波(AMCW)激光雷達一般又被稱為相位式激光雷達，與直接脈衝探測不同，其發射的是連續激光信號，並對激光發射信號的幅值進行調製，通過檢測回波信號與發射信號之間的相位差來進行測距。如下圖所示，當正弦信號的調製頻率為 f 時，可以測到發射信號與接收信號的相位差為
因此，目標的距離即為：
幅度調製連續波探測原理
頻率調製連續波探測
頻率調製連續波(FMCW)探測是20世紀末發展的一種較新的測距體制。它調製的是發射激光的光頻率(波長)，可以避免幅值調製帶來的發射功率損失。對於頻率調製激光雷達，由於回波信號與發射信號存在時間差 t，將回波信號與本振信號進行混頻後，通過平衡探測器就可以得到他們的差頻信號：
其中：r 為目標距離，B 為調製帶寬，T 為調製信號的週期。
當對發射的信號進行對稱三角波線性調頻時，可以同時獲得被測物體的距離和速度信息。
表 常見激光測距技術性能比較
激光雷達三維成像技術分類及其應用
激光三維成像可以理解為是對每個三維空間像素點的激光測距，在單點激光測距的基礎上，對每個測距點的方位信息同步進行測量，如方位角-俯仰角-距離、距離-速度-強度，並將數據以圖像的形式顯示，即可實現三維成像。而方位信息的獲取可以通過單點掃描和麵陣器件成像兩種方式。
掃描式三維成像激光雷達
掃描式三維成像激光雷達由單點激光測距系統配以光束掃描裝置構成，是目前發展相對成熟的三維成像激光雷達技術。掃描式激光雷達要求實現每個點的快速測距，因此大多采用直接脈衝探測的方式。掃描裝置的作用是控制雷達光軸指向不同方向，依次測量目標上各點的位置信息並繪製三維圖像。
目前，可用於激光雷達系統的掃描方式中較為成熟的是機械式掃描，主要有擺鏡掃描、萬向節掃描、轉鏡掃描、雙光楔掃描等類型，通過電機驅動鏡面轉動，並利用幾何光學的原理實現光束的偏轉，具有大掃描視場和高掃描效率，是近些年最常見、應用最廣泛也是最成熟的成像激光雷達掃描方式。
微機電系統MEMS掃描是最新發展的一種掃描方式，其通過微型反射鏡的快速振動來實現光束掃描，掃描速度較傳統的機械掃描可以大幅提高，同時很好地克服了機械掃描系統體積大的缺點，可以實現系統的小型化，但是目前仍存在接收光路較為複雜，微振部件影響系統使用壽命的缺陷。
對於MEMS掃描方式來說，目前最大的問題是，若採用收發同軸掃描的方式，則受微型反射鏡尺寸的限制，其接收光學口徑較小，探測距離受限，而若採用發射掃描、大視場接收的方式，則背景噪聲過強，同樣導致探測距離受限。
MEMS微鏡掃描
近年來光學相控陣技術(optical phase array，OPA)的發展為激光發射光束的快速掃描提供了一種新的手段，相控陣發射器由若干發射接收單元組成陣列，通過改變加載在不同單元的電壓，進而改變不同單元發射光波特性（如光強、相位），實現對每個單元光波的獨立控制，通過調節從每個相控單元輻射出的光波之間的相位關係，在設定方向上產生互相加強的干涉從而實現高強度光束，而其它方向上從各個單元射出的光波彼此相消，因此，輻射強度接近於零。組成相控陣的各相控單元在程序的控制下，可使一束或多束高強度光束的指向按設計的程序實現隨機空域掃描。然而激光雷達除發射外還需對回波信號進行同步接收，目前技術上還有待成熟。
掃描成像激光雷達從搭載平臺來看主要分為星載掃描成像激光雷達、機載掃描成像激光雷達、車載成像激光雷達等。
（1）星載掃描成像激光雷達
星載掃描成像激光雷達主要用於空間交會對接、飛行器的導航著陸以及星載對地三維成像等。我國的空間交會激光雷達雖然起步較晚，但發展迅速，由中國科學院光電技術研究所和中國電子科技集團27所聯合研製的激光雷達已多次成功應用於我國空間站和神舟系列飛船的交會對接，技術指標已達國際領先水平。“嫦娥一號”探月衛星上搭載了由中科院上海技術物理所和中科院上海光學精密機械研究所研製的單激光束激光雷達。
“嫦娥一號”探月衛星上搭載的激光雷達系統與月球地形模型圖
激光雷達與成像光譜技術、合成孔徑雷達（SAR）技術一起被稱為最核心的對地觀測信息獲取技術，激光雷達可搭載於衛星之上可用於全球高精度數字地形模型（DEM）的測繪。典型的如美國國家航天局(NASA)為了發展地球觀測系統，測量冰蓋質量平衡、冰蓋高度和海冰厚度雲和氣溶膠高度，以及陸地地形和植被特徵等而研製的ICESat和ICESat2星載激光雷達。為了實現更高的橫向測量精度，NASA 正在研製LIST(LiDAR surface topography)雷達系統。下圖為 NASA 星載激光雷達系統發展路線圖。
NASA 星載激光雷達系統
（2）機載成像激光雷達
將成像激光雷達搭載於飛行器上還可以快速獲取局部地區高精度的數字高程數據或數字表面數據，同時通過和多光譜、超光譜等二維光學影像結合，可大大提高目標識別的效率和準確性。機載掃描成像激光雷達與傳統的測量方法相比，具有生產數據外業成本低及後處理成本低的優點，主要應用於地形測繪、電力巡線、水下探測、遮蔽目標探測等領域。按照應用領域可分為機載測繪系統、機載避障系統、機載水下目標探測系統等。其中奧地利的Riegl、瑞士的 Leica、加拿大的 Optech 和國內的海達數雲、北科天匯等公司，已經有許多定型的商業化產品。
機載測繪系統源自1970年美國航天局（NASA）的研發，將其安裝在高性能飛機或無人機上在待偵察地區的上空飛行，測出地表及樹頂的高度模型，其高度自動化及精確的觀測成果使其成為發展迅速的立體測量工具，下圖為激光雷達獲取的地形圖。
激光雷達在測繪領域的應用
直升機在進行低空巡邏飛行時，極易與地面小山或建築物相撞，機載避障系統可以將地面障礙物信息實時顯示在機載平視顯示器或頭盔顯示器上，為安全飛行起了很大的保障作用，比如德國戴姆勒·奔馳宇航公司研製的障礙探測激光雷達具有1.54 μm成像能力，視場為32度×32度，可以探測300-500 m距離內直徑1 cm粗的電線。
機載水下目標探測系統相對於動輒幾百公斤甚至幾十噸的聲納系統而言具有輕便和精度高的特點，利用波長為0.46 µm~0.53 µm 的藍綠激光能穿透幾百到幾千米的海水的特性可對水中目標進行警戒、搜索、識別、跟蹤和成像，尤其是在淺水地區或地形複雜海域，如群島、海峽等，比如由桑德斯公司為美國海軍研製的ATD-111激光雷達採用吊艙載系統，能安裝在SH-60“海鷹”直升機上用於發現水雷和水雷錨鏈。
（3）車載成像激光雷達
近年來無人駕駛汽車發展迅速，掃描成像激光雷達作為無人駕駛一種有效的解決方案，吸引著世界各國都在積極開展車載激光雷達的研究。IBEO、Velodyne、SICK、Quanergy、Innoviz、AEye、禾賽科技、北科天繪、鐳神智能等一大批國內外公司都積極投身這一領域。
車載激光雷達作為無人駕駛技術中重要的傳感器之一，對於保證無人駕駛汽車行車安全具有重要意義。隨著無人駕駛產業的進一步發展，車載激光雷達市場前景廣闊。為了滿足商業應用的需求，車載激光雷達系統實現小型化、低成本是未來的總體發展趨勢。無人駕駛汽車產業化的到來以及車載激光雷達成本的降低，將共同推動車載激光雷達產業的爆發式增長。
值得注意的是對於自動駕駛來說，追求由激光雷達自己先“漫無目的”做全景掃描，構建更高分辨率、更遠探測距離的三維點雲圖像，再去與其他傳感器進行融合，這樣不僅效率低、成本高，且將產生大量“無效”數據，不利於決策系統的快速處理和響應。而由激光雷達與視覺感知技術深度融合，結合人工智能技術，首先對視覺傳感器“看”到的圖像進行語義分割、識別，然後充分發揮“精確測距”這一激光雷達的核心優勢，由其僅僅對分割後的圖像區域或者“興趣點”進行選擇性測距，可大大減少無效數據，提高系統的響應速度，應成為這一領域的技術發展方向。
總的來說，掃描成像激光雷達成像系統根據不同的平臺應用於不同的場合，採用直接探測的方式，不需要合作目標，具有探測距離遠、成像視場大的優點，在星載、機載、車載等領域有著不可替代的位置，其特性如下表所示。
為了克服單點掃描成像激光雷達系統成像速度慢的缺點，掃描成像激光雷達逐漸從單點掃描向小面陣掃描和線陣推掃式成像過渡。而且，為了減小系統體積、重量、功耗，掃描成像激光雷達系統的探測器也逐漸由線性探測器向靈敏度更高的光子計數探測器過渡。
面陣式三維成像激光雷達
面陣式三維成像又稱為“閃光式”成像，能夠極大地提高雷達系統三維成像的速度，特別適用於高速運動平臺或高動態目標三維成像等一些無法進行掃描成像的特殊場景。
目前，按照採用的光電探測器件，面陣三維成像激光雷達大致存在APD陣列和CCD相機兩種探測方式。其區別在於APD陣列的每個像元都是一個單點探測的激光像元，能夠直接給出與其對應的距離信息，而CCD相機作為一種積分探測器件無法直接獲得距離信息，需要通過調製/解調來由所獲得圖像的灰度間接計算出每個像元對應的距離。對於面陣式三維成像激光雷達，為了提高系統的探測效率，與面陣探測器件相對應的，其激光發射系統應設計為相對應的點陣式分光發射，目前一般多采用衍射光學器件（DOE）來進行激光的分束，隨著垂直腔面發射激光器(VCSEL)的快速發展，未來其將有望成為面陣式三維成像激光雷達的理想光源。常見的面陣三維成像激光雷達根據探測器的不同可以分為APD陣列體制、CCD陣列體制。
（1）APD陣列體制
APD 陣列的每個像元都是一個單點探測的激光像元，能夠直接給出與其對應的距離信息。典型的有美國麻省理工學院林肯實驗室(MIT/LL)基於蓋革模式工作的雪崩光電二極管焦平面陣列(GM-APD FPAs)研製的面陣式三維成像激光雷達。
MIT閃光式三維成像激光雷達對密林中隱蔽坦克的探測
（2）CCD陣列體制
CCD 相機作為一種積分探測器件無法直接獲得距離信息，需要通過調製/解調來由所獲得圖像的灰度間接計算出每個像元對應的距離。根據CCD陣列體制中CCD成像原理的不同，又可以細分為CCD陣列體制、ICCD陣列體制、EMCCD陣列體制。
以中國科學院光電技術研究所提出的基於偏振調製的激光三維成像方法為例，其利用高靈敏度、高分辨率的 EMCCD 相機作為探測器，利用偏振調製技術將時間信息轉換為圖像的灰度信息，巧妙地解決了EMCCD不能提供距離信息的難題，從而實現距離測量。
中科院光電技術研究所研製的激光雷達獲取的遠距離目標的三維圖像
（a）灰度圖像，（b）距離圖像
需要指出的是，面陣式激光三維成像本質上是將掃描激光成像逐點式的距離信息串行獲取，改變為點陣式的距離信息並行獲取，雖然其成像速度快，不需要複雜的掃描機構，具備閃光三維成像的能力，但同時也就要求將系統接收的激光回波功率平均分佈到每個探測像元上，探測像元越多，分散到每個像元上的回波功率就越小，因此在相同的激光發射總功率和接收口徑下，面陣成像系統的探測距離遠遠小於單點探測系統，一般僅適用於較近距離的成像探測。
激光雷達的發展趨勢
多空間一體化監測系統
利用信息化技術將地面監測、航空測量和衛星遙感結合建立天、空、地多空間一體化綜合監測系統，通過空中和衛星平臺有效範圍覆蓋大的特點發現目標，通過地基激光雷達構建地面監測網絡系統實現精準識別，精確監測被測目標全方位連續實時立體化信息。
多種技術結合實現複合探測
激光雷達或者其它同類技術並不能一勞永逸地解決該領域的所有問題，因此將激光遙感和微波遙感、紅外遙感等技術結合聯用會彌補不同方法的技術侷限實現更精準的目標探測。比如微波遙感技術的發散角大導致其精度和角分辨率相較於激光雷達低，而且對電磁干擾敏感，容易受攔截和干擾源的影響，但是其搜索能力強，與激光雷達技術可以實現功能的互補。同時將激光雷達和紅外探測技術結合可以大大提升探測效率，利用紅外探測技術進行大面積搜索，再用激光雷達技術實現測速、測距和跟蹤的目的。
多種功能的集成化
隨著集成化技術的日益提高，滿足高速度、高性能和高運算率的集成化芯片得以應用，尤其是高性能SoC芯片提供了高性能、低功耗、低成本的視覺環境感知解決方案，因此激光雷達的主控系統可以進一步縮小體積並融合更多的功能，可以同時對多個參數進行實時分析，使之在共用光源與光學系統的情況下，儘量從散射和反射回波中獲得更多信息，形成帶有一定綜合性的遙感設備。
新型激光光源和探測器的應用
激光器和探測器一直是激光雷達的核心和關鍵技術，縱觀激光雷達的發展歷史可以看到它是隨著激光器和探測器的發展而發展的。目前高效率、高功率、高可靠性封裝和高性價比的激光器具有產能過低、產品價格高昂，進而導致成本過高的問題，因此一直限制了激光雷達技術在民用領域的發展。其次性能高效穩定的光電探測器件利用光電效應將光信號轉變為電信號，也是制約激光雷達技術應用的關鍵部件。
人工智能算法的發展
激光雷達技術直接探測得到的是一系列數字數據，裡面包含了眾多無效信息和干擾信息，探測數據的處理和反演技術類似於人的大腦，提取有效信息並將之轉換為我們理解的圖像數據並做出合理判斷將是激光雷達技術大規模應用的前提。
結束語
三維成像激光雷達系統與傳統的被動相機成像相比不僅能夠捕獲被測目標的強度像還能提供目標的距離圖像，能夠獲取更為豐富的目標信息，且不受光照條件限制；與微波雷達成像系統相比，激光成像系統具有更高的距離和角度分辨率，以及更小的體積、重量和功耗。三維成像激光雷達日益成為現代成像領域不可或缺的重要組成部分，隨著激光器與探測器等元器件的不斷髮展，激光雷達系統的發展也日新月異，其應用領域也不斷擴展。三維成像激光雷達逐漸從單點掃描向小面陣掃描和線陣推掃式及面陣閃光成像發展，成像速度越來越快；同時單光子探測技術逐漸成熟，探測靈敏度越來越高也使得激光雷達系統的體積、重量、功率進一步減小。
另外，也要認識到三維成像激光雷達作為一種探測手段也有其不足之處，例如相比於被動相機成像，其橫向分辨率不高，缺乏目標的紋理信息，相比於微波雷達，其更易受到雲、霧、霾等大氣條件的限制。現代探測技術的發展越來越趨向於多種傳感器的融合探測從而獲取更豐富的目標信息，三維成像的發展也趨向於主、被動成像相結合。在激光雷達系統的設計和應用中應充分考慮實際需要，儘量避免“以己之短，克敵之長”的情況，而是發揮它的優勢，與可見/紅外相機等被動成像相結合，充分利用其面陣成像、大視場的優點，在興趣點/控制點上進行快速、精確測距，從而做到“點面結合，各善所長”。
☆ END ☆
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