什么是激光雷達以及如何使用它？

LiDAR 用于從農業(yè)到氣象學(xué)、生物學(xué)到機器人學(xué)、從執法到太陽(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(tīng)說(shuō)過(guò)它在采礦作業(yè)中的用途。

LiDAR 是使用光或不可見(jiàn)（例如，紅外）電磁輻射來(lái)檢測和測量到物體的距離的實(shí)踐。LiDAR 代表光檢測和測距。
您可能以前聽(tīng)說(shuō)過(guò) LiDAR，但對它的了解可能并不多。我在本文中的目標是在概念層面上解釋 LiDAR 的工作原理。
激光雷達的應用
LiDAR 經(jīng)常出現在紀錄片和新聞文章中，因為它在許多科學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)重要作用。 
LiDAR 用于從農業(yè)到氣象學(xué)、生物學(xué)到機器人學(xué)、從執法到太陽(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(tīng)說(shuō)過(guò)它在采礦作業(yè)中的用途。
LiDAR 可以對小物件進(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 還可以對非常大的事物進(jìn)行成像，例如農業(yè)和地質(zhì)景觀(guān)。 

吳哥窟的航空激光雷達圖像。圖片由古代探險家提供 。

然后你就有了 LiDAR 系統，可以對移動(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)系統可能成為常見(jiàn)的 LiDAR 形式，因為它們用于軍事系統、測量飛機和原型自動(dòng)駕駛汽車(chē)的機器視覺(jué)。
然而，其他形式的 LiDAR 根本不用于對固體表面成像：NASA 在大氣研究中使用 LiDAR，而其他 LiDAR 系統設計用于在水下運行和成像表面。 
顯然，這項技術(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(lèi)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）和雷達的工作原理。
SONAR 發(fā)出已知頻率的強大脈沖聲波。然后，通過(guò)計算脈沖返回所需的時(shí)間，您可以測量距離。反復這樣做可以幫助您對周?chē)沫h(huán)境有良好的感覺(jué)。

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(lèi)型的波。如果我們使用相同的原理并將波的類(lèi)型從聲波更改為電磁波（無(wú)線(xiàn)電），就會(huì )得到 RADAR（RAdio Detection And Ranging）。
有許多不同類(lèi)型的雷達使用不同頻率的 EM 頻譜。光只是人眼可檢測到的一個(gè)特殊波長(cháng)范圍，這是 LiDAR 與 RADAR 的區別之一。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。
雷達使用大波前和長(cháng)波長(cháng)，分辨率很差。相比之下，LiDAR 使用激光（緊密波前）和更短的波長(cháng)。波長(cháng)直接決定了成像系統的分辨能力：較短的波長(cháng)（對應于較高的頻率）增加了分辨能力。

天氣雷達成像捕捉天氣系統和候鳥(niǎo)的移動(dòng)。圖片由NASA提供。

如果你的波前很大，你不得不想——你測量的距離是多少？
想象一下，在您的下一個(gè)家居裝修項目中嘗試使用手電筒測距儀。那個(gè)手電筒是測量到光束的距離還是它后面的墻？這太不而不實(shí)用。然而，激光測距儀要準確得多。
用像素測量
LiDAR 使用激光來(lái)測量距離，但這與激光測距儀沒(méi)有任何不同——您將它指向某物并測量距離。但是如果那個(gè)距離測量被解釋為單個(gè)像素呢？然后，您可以進(jìn)行多次距離測量并將它們放置在網(wǎng)格中；結果將是一個(gè)傳達深度的圖像，類(lèi)似于黑白照片，其中像素傳達光強度。聽(tīng)起來(lái)很酷，而且很有用，對吧？
但是在我們完全理解這個(gè)系統是如何工作之前，我們還有幾個(gè)問(wèn)題需要回答。
我們需要多少像素？
如果我們將 LiDAR 與早期的數碼相機進(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）。假設我們需要 200 萬(wàn)個(gè)激光器，然后我們需要測量每一個(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(lái)進(jìn)行計算。 
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(tīng)起來(lái)像是一種簡(jiǎn)單得多的設備，只需一個(gè)激光器和一個(gè)檢測器即可實(shí)現。然而，這也意味著(zhù)我們不能像用相機那樣拍下即時(shí)的“照片”。
我們如何移動(dòng)我們的像素？
在掃描儀中，物理像素沿著(zhù)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(shuō)我們正在嘗試拍攝“3D 模型”。
如果您在數學(xué)課上注意力集中，您可能會(huì )想起笛卡爾坐標系（X、Y、Z）和球坐標系（r、theta、phi）。我提出這個(gè)是因為，如果我們假設 LiDAR 位于球形系統的原點(diǎn)，那么我們只需要知道水平角 (theta)、垂直角 (phi) 和距離 (r) 來(lái)構建我們的3D模型。

球坐標系的表示。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(lái)使用球坐標系制作我們的圖像。 
一些 LiDAR 系統是移動(dòng)的，使用 GPS 或其他定位系統將所有讀數一起映射到單個(gè)圖像中。這些移動(dòng)系統仍然使用相同的原理，但它們可能以不同的方式應用。
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”要測量。我們怎么可能調整我們的激光來(lái)測量它們呢？
一天只有 86,400 秒，因此用任何超過(guò)千分之一秒的時(shí)間來(lái)測量和調整可能太長(cháng)而不實(shí)用。
那么他們是如何快速調整像素的呢？關(guān)鍵是他們永遠不會(huì )停止調整它，使用以非常和眾所周知的速度旋轉的旋轉鏡或棱鏡。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。這使得調整我們的角度之一（phi 或 theta）以?huà)呙栉覀兊膱D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，例如精密步進(jìn)電機。
但我們還有一個(gè)主要問(wèn)題需要解決。
我們如何測量距離？ 
有多種使用激光測量距離的方法，具體取決于系統試圖實(shí)現的目標。并且單個(gè)系統可能同時(shí)使用多種方法來(lái)提高準確性。所有方法都需要非常精密的設備。 
容易理解的是飛行時(shí)間（ToF）。這也常被列為使用激光測量距離的方法。如果您計算光傳播 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備來(lái)測量，但可以付出一定的代價(jià)。
另一種方法是三角測量，它使用第二個(gè)旋轉鏡來(lái)重定向接收器信號；通過(guò)測量角度的變化，就可以得到距離。三角測量可能不適用于長(cháng)距離，并且旋轉鏡的使用可能會(huì )使系統復雜化。
，通過(guò)調制激光，可以測量激光調制中的相移。由于調制的周期性特性，它本身不能用于測量距離。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(lái)提高準確性。

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(chēng)如此，但大多數 LiDAR 系統使用紅外線(xiàn)而不是可見(jiàn)輻射。
由于電磁輻射與物質(zhì)的相互作用受波長(cháng)控制，因此某些波長(cháng)更適合某些應用。有一天，微波 (maser) 或 x 射線(xiàn) (xaser) 激光器可用于構建可透過(guò)多種材料成像的 LiDAR 系統，從而大大提高其實(shí)用性。