什么是激光雷達(dá)以及如何使用它？

LiDAR 用于從農(nóng)業(yè)到氣象學(xué)、生物學(xué)到機(jī)器人學(xué)、從執(zhí)法到太陽(yáng)能光伏部署的各個(gè)領(lǐng)域。您可能會(huì)在有關(guān)天文學(xué)和航天的中看到 LiDAR，或者您可能聽說過它在采礦作業(yè)中的用途。

LiDAR 是使用光或不可見（例如，紅外）電磁輻射來檢測(cè)和測(cè)量到物體的距離的實(shí)踐。LiDAR 代表光檢測(cè)和測(cè)距。
您可能以前聽說過 LiDAR，但對(duì)它的了解可能并不多。我在本文中的目標(biāo)是在概念層面上解釋 LiDAR 的工作原理。
激光雷達(dá)的應(yīng)用
LiDAR 經(jīng)常出現(xiàn)在紀(jì)錄片和新聞文章中，因?yàn)樗谠S多科學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。 
LiDAR 用于從農(nóng)業(yè)到氣象學(xué)、生物學(xué)到機(jī)器人學(xué)、從執(zhí)法到太陽(yáng)能光伏部署的各個(gè)領(lǐng)域。您可能會(huì)在有關(guān)天文學(xué)和航天的中看到 LiDAR，或者您可能聽說過它在采礦作業(yè)中的用途。
LiDAR 可以對(duì)小物件進(jìn)行成像，例如用于考古學(xué)的歷史遺跡或用于生物學(xué)的骨骼。另一方面，LiDAR 還可以對(duì)非常大的事物進(jìn)行成像，例如農(nóng)業(yè)和地質(zhì)景觀。 

吳哥窟的航空激光雷達(dá)圖像。圖片由古代探險(xiǎn)家提供 。

然后你就有了 LiDAR 系統(tǒng)，可以對(duì)移動(dòng)的物體或可能正在移動(dòng)的物體進(jìn)行成像。這些非靜態(tài)系統(tǒng)可能成為常見的 LiDAR 形式，因?yàn)樗鼈冇糜谲娛孪到y(tǒng)、測(cè)量飛機(jī)和原型自動(dòng)駕駛汽車的機(jī)器視覺。
然而，其他形式的 LiDAR 根本不用于對(duì)固體表面成像：NASA 在大氣研究中使用 LiDAR，而其他 LiDAR 系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于在水下運(yùn)行和成像表面。 
顯然，這項(xiàng)技術(shù)非常靈活。
與 SONAR 和 RADAR 的相似之處
那么如果LiDAR是LIght Detection And Ranging，那是不是類似于SONAR（Sound Navigation And Ranging）和RADAR（RAdio Detection And Ranging）？是的，有點(diǎn)。要了解這三者有何相似之處，讓我們先談?wù)劼暭{（回聲定位）和雷達(dá)的工作原理。
SONAR 發(fā)出已知頻率的強(qiáng)大脈沖聲波。然后，通過計(jì)算脈沖返回所需的時(shí)間，您可以測(cè)量距離。反復(fù)這樣做可以幫助您對(duì)周圍的環(huán)境有良好的感覺。

用于定位海上沉船的聲納成像。圖片由 NOAA 探索與研究辦公室提供。

SONAR 的關(guān)鍵要素是聲波，但有許多不同類型的波。如果我們使用相同的原理并將波的類型從聲波更改為電磁波（無(wú)線電），就會(huì)得到 RADAR（RAdio Detection And Ranging）。
有許多不同類型的雷達(dá)使用不同頻率的 EM 頻譜。光只是人眼可檢測(cè)到的一個(gè)特殊波長(zhǎng)范圍，這是 LiDAR 與 RADAR 的區(qū)別之一。兩者之間還有其他差異，但我將重點(diǎn)關(guān)注空間分辨率作為關(guān)鍵差異。
雷達(dá)使用大波前和長(zhǎng)波長(zhǎng)，分辨率很差。相比之下，LiDAR 使用激光（緊密波前）和更短的波長(zhǎng)。波長(zhǎng)直接決定了成像系統(tǒng)的分辨能力：較短的波長(zhǎng)（對(duì)應(yīng)于較高的頻率）增加了分辨能力。

天氣雷達(dá)成像捕捉天氣系統(tǒng)和候鳥的移動(dòng)。圖片由NASA提供。

如果你的波前很大，你不得不想——你測(cè)量的距離是多少？
想象一下，在您的下一個(gè)家居裝修項(xiàng)目中嘗試使用手電筒測(cè)距儀。那個(gè)手電筒是測(cè)量到光束的距離還是它后面的墻？這太不而不實(shí)用。然而，激光測(cè)距儀要準(zhǔn)確得多。
用像素測(cè)量
LiDAR 使用激光來測(cè)量距離，但這與激光測(cè)距儀沒有任何不同——您將它指向某物并測(cè)量距離。但是如果那個(gè)距離測(cè)量被解釋為單個(gè)像素呢？然后，您可以進(jìn)行多次距離測(cè)量并將它們放置在網(wǎng)格中；結(jié)果將是一個(gè)傳達(dá)深度的圖像，類似于黑白照片，其中像素傳達(dá)光強(qiáng)度。聽起來很酷，而且很有用，對(duì)吧？
但是在我們完全理解這個(gè)系統(tǒng)是如何工作之前，我們還有幾個(gè)問題需要回答。
我們需要多少像素？
如果我們將 LiDAR 與早期的數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行比較，我們將需要一到兩個(gè)百萬(wàn)像素（或一到兩百萬(wàn)像素）。假設(shè)我們需要 200 萬(wàn)個(gè)激光器，然后我們需要測(cè)量每一個(gè)激光器指示的距離，因此需要另外 200 萬(wàn)個(gè)傳感器，然后是電路來進(jìn)行計(jì)算。 
也許使用大量激光并不是的方法。如果我們不嘗試拍攝完整的“照片”，而是像掃描儀那樣操作，會(huì)怎樣呢？即，我們是否可以拍攝部分圖片，然后移動(dòng)像素并再次拍攝圖片？這聽起來像是一種簡(jiǎn)單得多的設(shè)備，只需一個(gè)激光器和一個(gè)檢測(cè)器即可實(shí)現(xiàn)。然而，這也意味著我們不能像用相機(jī)那樣拍下即時(shí)的“照片”。
我們?nèi)绾我苿?dòng)我們的像素？
在掃描儀中，物理像素沿著圖像移動(dòng)。但這在很多情況下并不實(shí)用，因此我們可能需要一種不同的方法。
使用 LiDAR，我們正在嘗試拍攝“深度照片”，或者您可以說我們正在嘗試拍攝“3D 模型”。
如果您在數(shù)學(xué)課上注意力集中，您可能會(huì)想起笛卡爾坐標(biāo)系（X、Y、Z）和球坐標(biāo)系（r、theta、phi）。我提出這個(gè)是因?yàn)?，如果我們假設(shè) LiDAR 位于球形系統(tǒng)的原點(diǎn)，那么我們只需要知道水平角 (theta)、垂直角 (phi) 和距離 (r) 來構(gòu)建我們的3D模型。

球坐標(biāo)系的表示。圖片由Wolfram MathWorld提供。

只有一個(gè)，3D 模型將是一個(gè)單一的表面。但是如果我們將多個(gè)表面映射到一起，就可以得到一個(gè)完整的 3D 模型。所以我們需要一個(gè)激光器和一個(gè)傳感器來使用球坐標(biāo)系制作我們的圖像。 
一些 LiDAR 系統(tǒng)是移動(dòng)的，使用 GPS 或其他定位系統(tǒng)將所有讀數(shù)一起映射到單個(gè)圖像中。這些移動(dòng)系統(tǒng)仍然使用相同的原理，但它們可能以不同的方式應(yīng)用。
我們實(shí)際上如何快速改變激光的角度？
我們有兩百萬(wàn)個(gè)“像素”要測(cè)量。我們?cè)趺纯赡苷{(diào)整我們的激光來測(cè)量它們呢？
一天只有 86,400 秒，因此用任何超過千分之一秒的時(shí)間來測(cè)量和調(diào)整可能太長(zhǎng)而不實(shí)用。
那么他們是如何快速調(diào)整像素的呢？關(guān)鍵是他們永遠(yuǎn)不會(huì)停止調(diào)整它，使用以非常和眾所周知的速度旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)鏡或棱鏡。激光被反射鏡或棱鏡反射，因此其位置不斷變化，但變化速度已知。這使得調(diào)整我們的角度之一（phi 或 theta）以掃描我們的圖像變得非?？焖俸腿菀?。為了掃描另一個(gè)角度，我們可以使用更慢的系統(tǒng)，例如精密步進(jìn)電機(jī)。
但我們還有一個(gè)主要問題需要解決。
我們?nèi)绾螠y(cè)量距離？ 
有多種使用激光測(cè)量距離的方法，具體取決于系統(tǒng)試圖實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。并且單個(gè)系統(tǒng)可能同時(shí)使用多種方法來提高準(zhǔn)確性。所有方法都需要非常精密的設(shè)備。 
容易理解的是飛行時(shí)間（ToF）。這也常被列為使用激光測(cè)量距離的方法。如果您計(jì)算光傳播 2 毫米所需的時(shí)間，即 1 毫米分辨率所需的距離，您得到的時(shí)間為 6.67 皮秒。這需要一些非常的設(shè)備來測(cè)量，但可以付出一定的代價(jià)。
另一種方法是三角測(cè)量，它使用第二個(gè)旋轉(zhuǎn)鏡來重定向接收器信號(hào)；通過測(cè)量角度的變化，就可以得到距離。三角測(cè)量可能不適用于長(zhǎng)距離，并且旋轉(zhuǎn)鏡的使用可能會(huì)使系統(tǒng)復(fù)雜化。
，通過調(diào)制激光，可以測(cè)量激光調(diào)制中的相移。由于調(diào)制的周期性特性，它本身不能用于測(cè)量距離。相反，它會(huì)生成一個(gè)可能的距離列表，除了另一種方法外，還可以使用這些距離來提高準(zhǔn)確性。

一群人的 LiDAR 渲染圖。圖片由NASA提供。

LiDAR 激光器
要談的一件事：激光器本身。盡管名稱如此，但大多數(shù) LiDAR 系統(tǒng)使用紅外線而不是可見輻射。
由于電磁輻射與物質(zhì)的相互作用受波長(zhǎng)控制，因此某些波長(zhǎng)更適合某些應(yīng)用。有一天，微波 (maser) 或 x 射線 (xaser) 激光器可用于構(gòu)建可透過多種材料成像的 LiDAR 系統(tǒng)，從而大大提高其實(shí)用性。