一文詳解激光雷達(dá)最全分類

激光雷達(dá)是集激光、全球定位系統(tǒng)（GPS）、和IMU（慣性測(cè)量裝置）三種技術(shù)于一身的系統(tǒng)，相比普通雷達(dá)，激光雷達(dá)具有分辨率高，隱蔽性好、抗干擾能力更強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。隨著科技的不斷發(fā)展，激光雷達(dá)的應(yīng)用越來越廣泛，在機(jī)器人、無人駕駛、無人車等領(lǐng)域都能看到它的身影，有需求必然會(huì)有市場(chǎng)，隨著激光雷達(dá)需求的不斷增大，激光雷達(dá)的種類也變得琳瑯滿目，按照使用功能、探測(cè)方式、載荷平臺(tái)等激光雷達(dá)可分為不同的類型。

激光雷達(dá)按功能分類

激光測(cè)距雷達(dá)

激光測(cè)距雷達(dá)是通過對(duì)被測(cè)物體發(fā)射激光光束，并接收該激光光束的反射波，記錄該時(shí)間差，來確定被測(cè)物體與測(cè)試點(diǎn)的距離。傳統(tǒng)上，激光雷達(dá)可用于工業(yè)的安全檢測(cè)領(lǐng)域，如科幻片中看到的激光墻，當(dāng)有人闖入時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立馬做出反應(yīng)，發(fā)出預(yù)警。另外，激光測(cè)距雷達(dá)在空間測(cè)繪領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。但隨著人工智能行業(yè)的興起，激光測(cè)距雷達(dá)已成為機(jī)器人體內(nèi)不可或缺的核心部件，配合SLAM技術(shù)使用，可幫助機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)定位導(dǎo)航，，實(shí)現(xiàn)自主行走。思嵐科技研制的rplidar系列配合slamware模塊使用是目前服務(wù)機(jī)器人自主定位導(dǎo)航的典型代表，其在25米測(cè)距半徑內(nèi)，可完成每秒上萬次的激光測(cè)距，并實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)別的解析度。

激光測(cè)速雷達(dá)

激光測(cè)速雷達(dá)是對(duì)物體移動(dòng)速度的測(cè)量，通過對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行兩次有特定時(shí)間間隔的激光測(cè)距，從而得到該被測(cè)物體的移動(dòng)速度。

激光雷達(dá)測(cè)速的方法主要有兩大類，一類是基于激光雷達(dá)測(cè)距原理實(shí)現(xiàn)，即以一定時(shí)間間隔連續(xù)測(cè)量目標(biāo)距離，用兩次目標(biāo)距離的差值除以時(shí)間間隔就可得知目標(biāo)的速度值，速度的方向根據(jù)距離差值的正負(fù)就可以確定。這種方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度有限，只能用于反射激光較強(qiáng)的硬目標(biāo)。

另一類測(cè)速方法是利用多普勒頻移。多普勒頻移是指目標(biāo)與激光雷達(dá)之間存在相對(duì)速度時(shí)，接收回波信號(hào)的頻率與發(fā)射信號(hào)的頻率之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)頻率差，這個(gè)頻率差就是多普勒頻移。

激光成像雷達(dá)

激光成像雷達(dá)可用于探測(cè)和跟蹤目標(biāo)、獲得目標(biāo)方位及速度信息等。它能夠完成普通雷達(dá)所不能完成的任務(wù)，如探測(cè)潛艇、水雷、隱藏的軍事目標(biāo)等等。在軍事、航空航天、工業(yè)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

大氣探測(cè)激光雷達(dá)

大氣探測(cè)激光雷達(dá)主要是用來探測(cè)大氣中的分子、煙霧的密度、溫度、風(fēng)速、風(fēng)向及大氣中水蒸氣的濃度的，以達(dá)到對(duì)大氣環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)及對(duì)暴風(fēng)雨、沙塵暴等災(zāi)害性天氣進(jìn)行預(yù)報(bào)的目的。

跟蹤雷達(dá)

跟蹤雷達(dá)可以連續(xù)的去跟蹤一個(gè)目標(biāo)，并測(cè)量該目標(biāo)的坐標(biāo)，提供目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡。不僅用于火炮控制、導(dǎo)彈制導(dǎo)、外彈道測(cè)量、衛(wèi)星跟蹤、突防技術(shù)研究等，而且在氣象、交通、科學(xué)研究等領(lǐng)域也在日益擴(kuò)大。

按工作介質(zhì)分類

固體激光雷達(dá)

固體激光雷達(dá)峰值功率高，輸出波長(zhǎng)范圍與現(xiàn)有的光學(xué)元件與器件，輸出長(zhǎng)范圍與現(xiàn)有的光學(xué)元件與器件(如調(diào)制器、隔離器和探測(cè)器）以及大氣傳輸特性相匹配等，而且很容易實(shí)現(xiàn)主振蕩器-功率放大器（MOPA）結(jié)構(gòu)，再加上效率高、體積小、重量輕、可靠性高和穩(wěn)定性好等導(dǎo)體，固體激光雷達(dá)優(yōu)先在機(jī)載和天基系統(tǒng)中應(yīng)用。近年來，激光雷達(dá)發(fā)展的重點(diǎn)是二極管泵浦固體激光雷達(dá)。

氣體激光雷達(dá)

氣體激光雷達(dá)以CO2激光雷達(dá)為代表，它工作在紅外波段 ，大氣傳輸衰減小，探測(cè)距離遠(yuǎn)，已經(jīng)在大氣風(fēng)場(chǎng)和環(huán)境監(jiān)測(cè)方面發(fā)揮了很大作用，但體積大，使用的中紅外 HgCdTe探測(cè)器必須在77K溫度下工作,限制了氣體激光雷達(dá)的發(fā)展。

半導(dǎo)體激光雷達(dá)

半導(dǎo)體激光雷達(dá)能以高重復(fù)頻率方式連續(xù)工作，具有長(zhǎng)壽命，小體積，低成本和對(duì)人眼傷害小的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于后向散射信號(hào)比較強(qiáng)的Mie散射測(cè)量，如探測(cè)云底高度。半導(dǎo)體激光雷達(dá)的潛在應(yīng)用是測(cè)量能見度，獲得大氣邊界層中的氣溶膠消光廓線和識(shí)別雨雪等，易于制成機(jī)載設(shè)備。目前芬蘭Vaisala公司研制的CT25K激光測(cè)云儀是半導(dǎo)體測(cè)云激光雷達(dá)的典型代表，其云底高度的測(cè)量范圍可達(dá)7500m。

按線數(shù)分類

單線激光雷達(dá)

單線激光雷達(dá)主要用于規(guī)避障礙物，其掃描速度快、分辨率強(qiáng)、可靠性高。由于單線激光雷達(dá)比多線和3D激光雷達(dá)在角頻率和靈敏度反映更加快捷，所以，在測(cè)試周圍障礙物的距離和精度上都更加精 確。但是，單線雷達(dá)只能平面式掃描，不能測(cè)量物體高度，有一定局限性。當(dāng)前主要應(yīng)用于服務(wù)機(jī)器人身上，如我們常見的掃地機(jī)器人。

多線激光雷達(dá)

多線激光雷達(dá)主要應(yīng)用于汽車的雷達(dá)成像，相比單線激光雷達(dá)在維度提升和場(chǎng)景還原上有了質(zhì)的改變，可以識(shí)別物體的高度信息。多線激光雷達(dá)常規(guī)是2.5D，而且可以做到3D。目前在國(guó)際市場(chǎng)上推出的主要有 4線、8線、16 線、32 線和 64 線。但價(jià)格高昂，大多車企不會(huì)選用。

按掃描方式分類

MEMS型激光雷達(dá)

MEMS 型激光雷達(dá)可以動(dòng)態(tài)調(diào)整自己的掃描模式，以此來聚焦特殊物體，采集更遠(yuǎn)更小物體的細(xì)節(jié)信息并對(duì)其進(jìn)行識(shí)別，這是傳統(tǒng)機(jī)械激光雷達(dá)無法實(shí)現(xiàn)的。MEMS整套系統(tǒng)只需一個(gè)很小的反射鏡就能引導(dǎo)固定的激光束射向不同方向。由于反射鏡很小，因此其慣性力矩并不大，可以快速移動(dòng)，速度快到可以在不到一秒時(shí)間里跟蹤到 2D 掃描模式。

Flash型激光雷達(dá)

Flash型激光雷達(dá)能快速記錄整個(gè)場(chǎng)景，避免了掃描過程中目標(biāo)或激光雷達(dá)移動(dòng)帶來的各種麻煩，它運(yùn)行起來比較像攝像頭。激光束會(huì)直接向各個(gè)方向漫射，因此只要一次快閃就能照亮整個(gè)場(chǎng)景。隨后，系統(tǒng)會(huì)利用微型傳感器陣列采集不同方向反射回來的激光束。Flash LiDAR有它的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)然也存在一定的缺陷。當(dāng)像素越大，需要處理的信號(hào)就會(huì)越多，如果將海量像素塞進(jìn)光電探測(cè)器，必然會(huì)帶來各種干擾，其結(jié)果就是精度的下降。

相控陣激光雷達(dá)

相控陣激光雷達(dá)搭載的一排發(fā)射器可以通過調(diào)整信號(hào)的相對(duì)相位來改變激光束的發(fā)射方向。目前大多數(shù)相控陣激光雷達(dá)還在實(shí)驗(yàn)室里呆著，而現(xiàn)在仍停留在旋轉(zhuǎn)式或 MEMS 激光雷達(dá)的時(shí)代，

機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)

機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)是發(fā)展比較早的激光雷達(dá)，目前技術(shù)比較成熟，但機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，且各核心組件價(jià)格也都頗為昂貴，其中主要包括激光器、掃描器、光學(xué)組件、光電探測(cè)器、接收IC以及位置和導(dǎo)航器件等。由于硬件成本高，導(dǎo)致量產(chǎn)困難，且穩(wěn)定性也有待提升，目前固態(tài)激光雷達(dá)成為很多公司的發(fā)展方向。

按探測(cè)方式分類

直接探測(cè)激光雷達(dá)

直接探測(cè)型激光雷達(dá)的基本結(jié)構(gòu)與激光測(cè)距機(jī)頗為相近。工作時(shí)，由發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)信號(hào)，經(jīng)目標(biāo)反射后被接收系統(tǒng)收集，通過測(cè)量激光信號(hào)往返傳播的時(shí)間而確定目標(biāo)的距離。至于目標(biāo)的徑向速度，則可以由反射光的多普勒頻移來確定，也可以測(cè)量?jī)蓚€(gè)或多個(gè)距離，并計(jì)算其變化率而求得速度。

相干探測(cè)激光雷達(dá)

相干探測(cè)型激光雷達(dá)有單穩(wěn)與雙穩(wěn)之分，在所謂單穩(wěn)系統(tǒng)中，發(fā)送與接收信號(hào)共用一個(gè)光學(xué)孔徑，并由發(fā)送-接收開關(guān)隔離。而雙穩(wěn)系統(tǒng)則包括兩個(gè)光學(xué)孔徑，分別供發(fā)送與接收信號(hào)使用，發(fā)送-接收開關(guān)自然不再需要，其余部分與單穩(wěn)系統(tǒng)相同。

按激光發(fā)射波形分類

連續(xù)型激光雷達(dá)

從激光的原理來看，連續(xù)激光就是一直有光出來，就像打開手電筒的開關(guān)，它的光會(huì)一直亮著（特殊情況除外）。連續(xù)激光是依靠持續(xù)亮光到待測(cè)高度，進(jìn)行某個(gè)高度下數(shù)據(jù)采集。由于連續(xù)激光的工作特點(diǎn)，某時(shí)某刻只能采集到一個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。因?yàn)轱L(fēng)數(shù)據(jù)的不確定特性，用一點(diǎn)代表某個(gè)高度的風(fēng)況，顯然有些片面。因此有些廠家折中的辦法是采取旋轉(zhuǎn)360度，在這個(gè)圓邊上面采集多點(diǎn)進(jìn)行平均評(píng)估，顯然這是一個(gè)虛擬平面中的多點(diǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的概念。

脈沖型激光雷達(dá)

脈沖激光輸出的激光是不連續(xù)的，而是一閃一閃的。脈沖激光的原理是發(fā)射幾萬個(gè)的激光粒子，根據(jù)國(guó)際通用的多普勒原理，從這幾萬個(gè)激光粒子的反射情況來綜合評(píng)價(jià)某個(gè)高度的風(fēng)況，這個(gè)是一個(gè)立體的概念，因此才有探測(cè)長(zhǎng)度的理論。從激光的特性來看，脈沖激光要比連續(xù)激光測(cè)量的點(diǎn)位多幾十倍，更能夠精確的反應(yīng)出某個(gè)高度風(fēng)況。

按載荷平臺(tái)分類

機(jī)載激光雷達(dá)

機(jī)載激光雷達(dá)是將激光測(cè)距設(shè)備、GNSS設(shè)備和INS等設(shè)備緊密集成，以飛行平臺(tái)為載體，通過對(duì)地面進(jìn)行掃描，記錄目標(biāo)的姿態(tài)、位置和反射強(qiáng)度等信息，獲取地表的三維信息，并深入加工得到所需空間信息的技術(shù)。在軍民用領(lǐng)域都有廣泛的潛力和前景。機(jī)載激光雷達(dá)探測(cè)距離近，激光在大氣中傳輸時(shí)，能量受大氣影響而衰減，激光雷達(dá)的作用距離在20千米以內(nèi)，尤其在惡劣氣候條件下，比如濃霧、大雨和煙、塵，作用距離會(huì)大大縮短，難以有效工作。大氣湍流也會(huì)不同程度上降低激光雷達(dá)的測(cè)量精度。

車載激光雷達(dá)

車載激光雷達(dá)又稱車載三維激光掃描儀，是一種移動(dòng)型三維激光掃描系統(tǒng)，可以通過發(fā)射和接受激光束，分析激光遇到目標(biāo)對(duì)象后的折返時(shí)間，計(jì)算出目標(biāo)對(duì)象與車的相對(duì)距離，并利用收集的目標(biāo)對(duì)象表面大量的密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率等信息，快速?gòu)?fù)建出目標(biāo)的三維模型及各種圖件數(shù)據(jù)，建立三維點(diǎn)云圖，繪制出環(huán)境地圖，以達(dá)到環(huán)境感知的目的。車載激光雷達(dá)在自動(dòng)駕駛“造車”大潮中扮演的角色正越來越重要，諸如谷歌、百度、寶馬、博世、德爾福等企業(yè)，都在其自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中使用了激光雷達(dá)，帶動(dòng)車載激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)迅速擴(kuò)大。

地基激光雷達(dá)

地基激光雷達(dá)可以獲取林區(qū)的3D點(diǎn)云信息，利用點(diǎn)云信息提取單木位置和樹高，它不僅節(jié)省了人力和物力，還提高了提取的精度，具有其它遙感方式所無法比擬的優(yōu)勢(shì)。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外該技術(shù)林業(yè)應(yīng)用的分析和對(duì)該發(fā)明研究后期的結(jié)果驗(yàn)證，未來將會(huì)在更大的研究區(qū)域利用該技術(shù)提取各種森林參數(shù)。

星載激光雷達(dá)

星載雷達(dá)采用衛(wèi)星平臺(tái)，運(yùn)行軌道高、觀測(cè)視野廣，可以觸及世界的每一個(gè)角落。為境外地區(qū)三維控制點(diǎn)和數(shù)字地面模型的獲取提供了新的途徑，無論對(duì)于國(guó)防或是科學(xué)研究都具有十分重大意義。星載激光雷達(dá)還具有觀察整個(gè)天體的能力，美國(guó)進(jìn)行的月球和火星等探測(cè)計(jì)劃中都包含了星載激光雷達(dá)，其所提供的數(shù)據(jù)資料可用于制作天體的綜合三維地形圖。此外，星載激光雷達(dá)載植被垂直分布測(cè)量、海面高度測(cè)量、云層和氣溶膠垂直分布測(cè)量以及特殊氣候現(xiàn)象監(jiān)測(cè)等方面也可以發(fā)揮重要作用。