2018年10月27日星期六

激光雷达, ToF 与传统雷达的异同

根据之前对ToF的了解, 它似乎就是将传统雷达的电磁波改为了激光器发射的光子束. 而激光雷达的顾名思义似乎也是如此. 因此本文专门讨论 激光雷达, ToF 还有传统雷达的异同.

主要内容:

  1. 传统雷达简介
  2. 激光雷达简介
  3. ToF简介
  4. 三者的异同

1.传统雷达简介


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雷达(RADAR),是英文「Radio Detection and Ranging」(无线电侦测和定距)的缩写及音译。电磁能量以定向方式发射至空间之中,藉由接收空间内存在物体所反射之电波,可以计算出该物体之方向,高度及速度,并且可以探测物体的形状。

雷达按照'工作体制'可以分为:

圆锥扫描雷达、单脉冲雷达、无源相控阵雷达、有源相控阵雷达、脉冲压缩雷达、频率捷变雷达、MTI雷达、MTD雷达、PD雷达、合成孔径雷达、噪声雷达、冲击雷达、双/多基地雷达、天/地波超视距雷达等。

雷达按照'工作波长'可以分为米波雷达、分米波雷达、厘米波雷达、毫米波雷达、激光/红外雷达

由此可知, 雷达使用的是电磁波, 且激光雷达是雷达中的一种(注: 更准确的说法应该是, 从不严格的角度而言, 激光雷达是雷达中的一种, 原因是再维基百科'激光雷达'这一条目中, 有'因此,由于原理上的相似性,尽管雷达的准确定义是使用微波或无线电波等波长较长的电磁波进行检测测距的设备,光學雷達这一术语仍然被广泛使用'的描述).

2. 激光雷达简介



光学雷达,或簡稱光達(英语:lidar, LIDAR, LiDAR,是英文“light detection and ranging”的缩写),是一种光学遥感技术,它通过向目标照射一束光,通常是一束脉冲激光来测量目标的距离等参数。激光雷达在测绘学、考古学、地理学、地貌、地震、林业、遥感以及大气物理等领域都有应用. 此外,这项技术还用于机载激光地图测绘、激光测高、激光雷达等高线绘制等等具体应用中。

光學雷達对物体距离的测量与通常所说的雷达类似,都是通过测量发送和接受到的脉冲信号的时间间隔来计算物体的距离。因此,由于原理上的相似性,尽管雷达的准确定义是使用微波或无线电波等波长较长的电磁波进行检测测距的设备,光學雷達这一术语仍然被广泛使用。

激光雷达的历史发展:
光学雷达起源于1960年代初,在激光发明后不久,激光聚焦成像与通过使用传感器和数据采集电子装置测量信号返回时间来计算距离的能力相结合。它的第一个应用来自气象学,美国国家大气研究中心用它来测量[3] 1971年阿波罗15号任务期间,当宇航员使用激光高度计绘制月球表面时,公众意识到光学雷达的准确性和实用性。
尽管现在大多数人会把“LIDAR”这个词当作缩写,其实该术语起源于“light”,“radar”和“portmanteau”。1963年首次发表的关于激光雷达的文章清楚地表明:“最终,激光可以提供远距离物体的特定波长的灵敏探测器。”同时,它被用于研究月球牛津英语词典支持了这个词源。[4]
光学雷达作为首字母缩写(“LIDAR”或“LiDAR”)的解释后的1970年,[5]有人基于以下假设:由于基本术语“雷达”最初是作为“无线电检测和测距”的缩写开始的,所以“光学雷达”必须代表“光检测和测距” [6]或“激光成像,检测和测距”。[7]尽管英语不再把“radar”当作缩写,而且印刷的文字普遍呈现“lidar”这个词,但在1980年代开始的一些出版物中,“lidar”一词变成了大写字母“LIDAR”或“LiDAR”。目前还没有关于大写字母的共识,反映了光学雷达是否是缩写词的不确定性,以及它是否是缩写,是否应该以小写形式出现,如“lidar”。各种出版物将光学雷达称为“LIDAR”,“LiDAR”,“LIDaR”或“Lidar”。美国地质调查局有时在同一文件中同时使用“LIDAR”和“lidar”;[8]纽约时报主要使用“lidar”,[9] 路透社等新闻公司可能会使用“Lidar”。


激光雷达传感器:
与检测物体自然发射的能量的无源传感器相反,光学雷达使用有源传感器,它们发射自己的能量源进行照明。能量源撞击物体,物体反射的能量被传感器检测和测量。激光雷达是有源传感器的一个例子,它使用激光器(通过受激发射辐射的光放大)雷达传输光脉冲和带有灵敏探测器的接收器来测量背散射或反射光。通过记录发射和背散射脉冲之间的时间并使用光速计算行进距离来确定与物体的距离。[11] 这利用了多普勒效应


3. ToF简介


ToF利用飞行时间测量距离, 具体简介可以参看我的ToF笔记. 这里主要顺便根据此篇文章说明ToF的优缺点.

TOF技术优点非常的明显,首先是原理简单,通过光脉冲在目标与雷达间的飞行时间乘以光速就可以获得距离,技术路线也很简单是直接测量飞行时间,成熟度比较高,从脉冲激光发送、接收到处理均有成熟的模块组件和专用处理芯片。开发周期也很短,现在公司要做一个TOF雷达也很快。


但TOF雷达其实也存在一些问题,特别是针对未来无人驾驶,潘卫清谈到了4个主要问题:
第一,抗干扰。现在无人驾驶做测试的激光雷达基本上都是单辆车或者少数几辆车在跑,如果以后商用普及,那么路上大量的车都用同样的雷达扫描,雷达就没法识别是附近的车打来的脉冲还是自己发出的信号回波。以后自动驾驶车辆都采用这种设备,在路边很容易用相同雷达同波段的强光源去执行恶意破坏,从而导致雷达失灵。还有就是阳光强烈时,雷达会和人眼一样看不到目标了,从而带来安全隐患。
第二,探测距离——会影响车速。人类如果晚上开近光灯开车,车速就上不去,开了远光灯才能保证一定的速度;同理,激光雷达相当于车的眼睛,探测距离近的时候车速上不去。现在激光雷达做到150米到200米就很困难,一般的车用200米都采用了比较高的放射率。
第三,扫描问题。大家都想把激光雷达做成固态的,期待光学相控阵技术(OPA)方案。但OPA不仅对雷达有要求、对主机也有要求,大规模做成以后扫描的出光孔径很小,也就意味着在雷达里会带入损耗,会进一步缩短TOF的探测距离。
第四,全天候工作不太可能。例如雨、雾、雷等恶劣天气影响。
简单是直接测量
根据以上的介绍, 便可以大概明白激光雷达, 传统雷达 和 ToF的异同了!

4. 三者异同

传统雷达: 微波或无线电波等波长较长的电磁波进行检测测距的设备
激光雷达: 是一种光学遥感技术,它通过向目标照射一束光,通常是一束脉冲激光来测量目标的距离等参数。广义上来说, 激光雷达是雷达的一种.
ToF: 是激光雷达的一种主要技术, 根据这篇文章, 目前市场大约90%的激光雷达都使用的ToF技术, 但除ToF外, 激光雷达也有基于相干技术的激光雷达等.

End

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