【導讀】LiDAR（光探測和測距）是一種傳感技術(shù)，類(lèi)似于雷達，但用光而不是無(wú)線(xiàn)電波。它利用反射光的原理和精確的時(shí)間來(lái)測量物體的距離。由于LiDAR高水平的深度和角度分辨率，可實(shí)現卓越的深度感知。此外，由于采用紅外光發(fā)射器和接收器的有源方法，因此它能夠在所有光照條件下工作。
然而，LiDAR比單純的測距更復雜。它還可用于三維制圖和成像——這使它在工程方面非常有吸引力，也是一項非常有用的實(shí)用技術(shù)。
光和飛行時(shí)間
LiDAR有不同的測距方法，但最簡(jiǎn)單易懂的是單脈沖直接飛行時(shí)間（dToF）系統。在這里，一個(gè)光源（通常是激光）發(fā)出一個(gè)光脈沖，然后啟動(dòng)一個(gè)計時(shí)器。當光脈沖擊中一個(gè)物體時(shí)，它被反射到通常與激光位于同一位置的傳感器，且計時(shí)器停止計時(shí)。知道發(fā)射脈沖到接收回波之間的時(shí)間（t），利用光速常數（c）計算出與目標物體的距離（D）就很簡(jiǎn)單了。
圖1：直接飛行時(shí)間 (dTOF)測量光到達目標并返回所花的時(shí)間
另一種方法稱(chēng)為間接飛行時(shí)間LiDAR（iToF），傳輸的是連續的正弦波，iToF根據發(fā)射和反射波形之間的相位差確定飛行時(shí)間（t）。
在這兩種方法中，iToF較常見(jiàn)。一般來(lái)說(shuō)，它更適用于短距離應用，和能夠很好地控制環(huán)境光照水平的情況。而dToF可用于長(cháng)距離和短距離應用。此外，它的運行速度較快，可測量多個(gè)回波，從而實(shí)現對多個(gè)物體的探測。
為了使LiDAR系統高效地工作，回波信號必須在系統工作的環(huán)境光內可探測到。顯然，這在室內是比較容易的，因為光線(xiàn)可以控制，但LiDAR的許多最令人興奮的應用是在室外，因此有必要提供一個(gè)解決方案。
提高信噪比(SNR)
使用ASTM G-173-03太陽(yáng)輻照度模型，可看出太陽(yáng)噪聲（光）的峰值出現在波長(cháng)500到600納米的范圍內，即可見(jiàn)光譜。光譜中近紅外（NIR）部分（約905 nm）的噪聲已降至一半，這意味著(zhù)這一波長(cháng)的光更容易被探測到。
圖2：近紅外范圍能以高性?xún)r(jià)比的元器件提高信噪比
在短波紅外范圍（1550 nm左右）可達到更好的效果，但發(fā)射器和探測器更貴，因此近紅外范圍性?xún)r(jià)比最高。
直觀(guān)地看出，簡(jiǎn)單地提高發(fā)射器的功率可解決信噪比問(wèn)題，并提高LiDAR系統的精度和范圍，但發(fā)出的光可能對人類(lèi)和動(dòng)物有害。為此，BS EN 60825-1:2014等國際標準規定了可發(fā)射的功率。
由于可用的功率有限，為了增加有效范圍，必須采用其他技術(shù)。使用多發(fā)射脈沖激光可顯著(zhù)提高信噪比和范圍，同時(shí)保持每個(gè)脈沖內的能量較低。在這種方法中，發(fā)射多個(gè)脈沖，并創(chuàng )建探測到的回波的時(shí)間戳直方圖。
圖3：多脈沖dToF使目標從背景噪聲中清晰地分辨出來(lái)
生成的直方圖清晰地顯示了在隨機時(shí)間探測到的環(huán)境光子，并在直方圖峰值兩側形成“本底噪聲”，在直方圖峰值處，大部分回波以相同的時(shí)間間隔返回，代表目標物體。
LiDAR的演變
LiDAR技術(shù)不斷發(fā)展，最近，探測器技術(shù)以及用于創(chuàng )建3D地圖的方法都有了進(jìn)步。
早期的探測器通常是PIN二極管或雪崩光電二極管。這些已被單光子雪崩二極管（SPAD）和硅光電倍增管（SiPM）所取代，它們將密集的SPAD傳感器陣列集成到單個(gè)器件中。與早期的方案相比，SPAD和SiPM傳感器提供了低工作電壓、出色的一致性和非常高的增益，還能探測到單光子的光能。
雖然測量遠程目標物體的距離的能力非常有用，但LiDAR的真正優(yōu)勢在于它能夠創(chuàng )建詳細和高度精確的表面3D地圖——無(wú)論是工廠(chǎng)環(huán)境中的物體，還是在更大范圍內的一大片地。
通過(guò)將LiDAR原理與掃描光電系統結合，可控制光束以創(chuàng )建場(chǎng)景的密集深度點(diǎn)云。這可通過(guò)物理旋轉激光發(fā)射器以覆蓋場(chǎng)景的所有區域來(lái)機械地實(shí)現，但這種方式一般體積大，成本高，且在對準方面存在挑戰。
一種更現代的方法是使用準固態(tài)系統，如微機電系統（MEMS）微鏡、液晶超表面（LCM）和光學(xué)相控陣（OPA）來(lái)引導光束穿過(guò)系統。該方案幾乎是固態(tài)的，因此更可靠，對于長(cháng)距離應用也很有效。
唯一真正的固態(tài)LiDAR測繪方法是使用發(fā)射器和傳感器陣列（SiPM或SPAD）并對場(chǎng)景進(jìn)行閃光。由于發(fā)射器的功率限制，閃光照明只適用于短距離或窄視場(chǎng)(FoV)?？梢允褂枚帱c(diǎn)閃光照明方法，即一個(gè)可尋址的發(fā)射器陣列(通常是可尋址的垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)陣列)依次照亮場(chǎng)景的不同部分，并與探測器的讀出同步。
LiDAR的應用
LiDAR是一項非常有價(jià)值的技術(shù)；它適合的應用跨越了許多領(lǐng)域，包括汽車(chē)、工業(yè)、交通、農業(yè)和勘測。
感知車(chē)輛行駛路徑中物體的能力使得自適應巡航控制(ACC)等系統得以實(shí)現，與前車(chē)保持間距，LiDAR將成為未來(lái)全自動(dòng)駕駛車(chē)輛的關(guān)鍵推動(dòng)力。
LiDAR系統體積小、重量輕，可由無(wú)人機攜帶，這開(kāi)辟了一種比人工方法更快（因此成本更低）、更精確的大面積勘測方式。其應用幾乎是無(wú)限的，包括監測環(huán)境影響，如海岸侵蝕、洪水或冰川消融?？裳杆俣踩卦u估自然災害的影響，如火山地震，從而更迅速而有效地提供援助。
農民可利用LiDAR勘測土地，評估農作物的狀況，而公路或鐵路等基礎設施項目則可輕松勘測擬建路線(xiàn)，并繪制進(jìn)度圖。
靜態(tài)LiDAR可安裝在大型容器如料倉或儲罐中，無(wú)需接觸內容物就能準確地測量?jì)热菸铩?/div>
傳感器和方案
安森美半導體的RB系列高響應、快速SiPM具有很高的抗溫度波動(dòng)性。有三種微單元尺寸（10 mm，20 mm或35 mm），每個(gè)器件的有源傳感面積為1 mm x 1 mm。這些高增益（高達1.7 x 106）的器件采用小型（1.5 mm x 1.8 mm）封裝。
為了支持剛接觸LiDAR技術(shù)的公司或時(shí)間緊迫的項目，安森美半導體設計了一個(gè)用于工業(yè)應用的全面的SiPM dToF LiDAR開(kāi)發(fā)平臺。
該即插即用的平臺結合一個(gè)近紅外激光發(fā)射器和一個(gè)RB系列SiPM探測器，用于單點(diǎn)測距。
圖4：安森美半導體的SiPM dToF LiDAR平臺的原理框圖
圖5：安森美半導體SiPM dToF LiDAR平臺的高級框圖
激光發(fā)射器被指定使用1類(lèi)激光，因而符合所有的眼睛安全標準，同時(shí)使工作范圍擴展到23米。通過(guò)包含一個(gè)簡(jiǎn)單易用的圖形用戶(hù)界面(GUI)，平臺的配置和監控變得簡(jiǎn)單。
一旦開(kāi)發(fā)和調試完成，就可以無(wú)縫過(guò)渡到制造，因為該成本優(yōu)化的平臺可隨時(shí)大規模部署，且所有必要的制造文件都已準備就緒。
總結
LiDAR是種非常有用的技術(shù)，它支持輕松地測距和創(chuàng )建精確而詳細的3D圖。即使功率和激光發(fā)射器功率受到安全限制，但通過(guò)精心選擇波長(cháng)和使用多射光脈沖，也可提高信噪比，實(shí)現長(cháng)距測量。
LiDAR技術(shù)的應用非常廣泛，未來(lái)它將使我們更好地了解我們的世界，同時(shí)也使我們的世界更安全。
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