激光雷達(dá)是實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛的重要感知傳感器，目前包括福特、通用、沃爾沃等在內(nèi)的絕大部分車(chē)企研究的無(wú)人駕駛汽車(chē)都配備了激光雷達(dá)。近期百度谷歌等國(guó)內(nèi)外巨頭動(dòng)作頻頻，紛紛致力于激光雷達(dá)的研發(fā)和商業(yè)化。隨著業(yè)界對(duì)激光雷達(dá)重要性的認(rèn)知不斷深入，以及無(wú)人駕駛龐大需求的釋放，未來(lái)將有更多資本、資源投入到激光雷達(dá)領(lǐng)域。
那么，雷達(dá)是什么呢?
老式雷達(dá)
雷達(dá)的出現(xiàn)，是由于一戰(zhàn)期間當(dāng)時(shí)英國(guó)和德國(guó)交戰(zhàn)時(shí)，英國(guó)急需一種能探測(cè)空中金屬物體的雷達(dá)(技術(shù))能在反空襲戰(zhàn)中幫助搜尋德國(guó)飛機(jī)。二戰(zhàn)期間，雷達(dá)就已經(jīng)出現(xiàn)了地對(duì)空、空對(duì)地(搜索)轟炸、空對(duì)空(截?fù)?火控、敵我識(shí)別功能的雷達(dá)技術(shù)。二戰(zhàn)以后，雷達(dá)發(fā)展了單脈沖角度跟蹤、脈沖多普勒信號(hào)處理、合成孔徑和脈沖壓縮的高分辨率、結(jié)合敵我識(shí)別的組合系統(tǒng)、結(jié)合計(jì)算機(jī)的自動(dòng)火控系統(tǒng)、地形回避和地形跟隨、無(wú)源或有源的相位陣列、頻率捷變、多目標(biāo)探測(cè)與跟蹤等新的雷達(dá)體制。
雷達(dá)，是無(wú)線電探測(cè)和測(cè)距，即用無(wú)線電的方法發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測(cè)定它們的空間位置。因此，雷達(dá)也被稱(chēng)為"無(wú)線電定位"。雷達(dá)是利用電磁波探測(cè)目標(biāo)的電子設(shè)備。雷達(dá)發(fā)射電磁波對(duì)目標(biāo)進(jìn)行照射并接收其回波，由此獲得目標(biāo)至電磁波發(fā)射點(diǎn)的距離、距離變化率(徑向速度)、方位、高度等信息。
雷達(dá)所起的作用和眼睛和耳朵相似，當(dāng)然，它不再是大自然的杰作，同時(shí)，它的信息載體是無(wú)線電波。事實(shí)上，不論是可見(jiàn)光或是無(wú)線電波，在本質(zhì)上是同一種東西，都是電磁波，在真空中傳播的速度都是光速C，差別在于它們各自的頻率和波長(zhǎng)不同。其原理是雷達(dá)設(shè)備的發(fā)射機(jī)通過(guò)天線把電磁波能量射向空間某一方向，處在此方向上的物體反射碰到的電磁波;雷達(dá)天線接收此反射波，送至接收設(shè)備進(jìn)行處理，提取有關(guān)該物體的某些信息(目標(biāo)物體至雷達(dá)的距離，距離變化率或徑向速度、方位、高度等)。
測(cè)量距離原理是測(cè)量發(fā)射脈沖與回波脈沖之間的時(shí)間差，因電磁波以光速傳播，據(jù)此就能換算成雷達(dá)與目標(biāo)的精確距離。測(cè)量目標(biāo)方位原理是利用天線的尖銳方位波束，通過(guò)測(cè)量仰角靠窄的仰角波束，從而根據(jù)仰角和距離就能計(jì)算出目標(biāo)高度。
測(cè)量速度原理是雷達(dá)根據(jù)自身和目標(biāo)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的頻率多普勒效應(yīng)。雷達(dá)接收到的目標(biāo)回波頻率與雷達(dá)發(fā)射頻率不同，兩者的差值稱(chēng)為多普勒頻率。從多普勒頻率中可提取的主要信息之一是雷達(dá)與目標(biāo)之間的距離變化率。當(dāng)目標(biāo)與干擾雜波同時(shí)存在于雷達(dá)的同一空間分辨單元內(nèi)時(shí)，雷達(dá)利用它們之間多普勒頻率的不同能從干擾雜波中檢測(cè)和跟蹤目標(biāo)。
激光雷達(dá)
用激光器作為發(fā)射光源，采用光電探測(cè)技術(shù)手段的主激光雷達(dá)。激光雷達(dá)動(dòng)遙感設(shè)備。激光雷達(dá)是激光技術(shù)與現(xiàn)代光電探測(cè)技術(shù)結(jié)合的先進(jìn)探測(cè)方式。由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信息處理等部分組成。發(fā)射系統(tǒng)是各種形式的激光器，如二氧化碳激光器、摻釹釔鋁石榴石激光器、半導(dǎo)體激光器及波長(zhǎng)可調(diào)諧的固體激光器以及光學(xué)擴(kuò)束單元等組成;接收系統(tǒng)采用望遠(yuǎn)鏡和各種形式的光電探測(cè)器，如光電倍增管、半導(dǎo)體光電二極管、雪崩光電二極管、紅外和可見(jiàn)光多元探測(cè)器件等組合。激光雷達(dá)采用脈沖或連續(xù)波2種工作方式，探測(cè)方法按照探測(cè)的原理不同可以分為米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射、熒光、多普勒等激光雷達(dá)。它是集激光，全球定位系統(tǒng)(GPS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)三種技術(shù)與一身的系統(tǒng)，用于獲得數(shù)據(jù)并生成精確的DEM。這三種技術(shù)的結(jié)合，可以高度準(zhǔn)確地定位激光束打在物體上的光斑。它又分為目前日臻成熟的用于獲得地面數(shù)字高程模型(DEM)的地形LIDAR系統(tǒng)和已經(jīng)成熟應(yīng)用的用于獲得水下DEM的水文LIDAR系統(tǒng)，這兩種系統(tǒng)的共同特點(diǎn)都是利用激光進(jìn)行探測(cè)和測(cè)量。
激光本身具有非常精確的測(cè)距能力，其測(cè)距精度可達(dá)幾個(gè)厘米，而LIDAR系統(tǒng)的精確度除了激光本身因素，還取決于激光、GPS及慣性測(cè)量單元(IMU)三者同步等內(nèi)在因素。隨著商用GPS及IMU的發(fā)展，通過(guò)LIDAR從移動(dòng)平臺(tái)上(如在飛機(jī)上)獲得高精度的數(shù)據(jù)已經(jīng)成為可能并被廣泛應(yīng)用。
LIDAR系統(tǒng)包括一個(gè)單束窄帶激光器和一個(gè)接收系統(tǒng)。激光器產(chǎn)生并發(fā)射一束光脈沖，打在物體上并反射回來(lái)，最終被接收器所接收。接收器準(zhǔn)確地測(cè)量光脈沖從發(fā)射到被反射回的傳播時(shí)間。因?yàn)楣饷}沖以光速傳播，所以接收器總會(huì)在下一個(gè)脈沖發(fā)出之前收到前一個(gè)被反射回的脈沖。鑒于光速是已知的，傳播時(shí)間即可被轉(zhuǎn)換為對(duì)距離的測(cè)量。結(jié)合激光器的高度，激光掃描角度，從GPS得到的激光器的位置和從INS得到的激光發(fā)射方向，就可以準(zhǔn)確地計(jì)算出每一個(gè)地面光斑的坐標(biāo)X，Y，Z。激光束發(fā)射的頻率可以從每秒幾個(gè)脈沖到每秒幾萬(wàn)個(gè)脈沖。舉例而言，一個(gè)頻率為每秒一萬(wàn)次脈沖的系統(tǒng)，接收器將會(huì)在一分鐘內(nèi)記錄六十萬(wàn)個(gè)點(diǎn)。一般而言，LIDAR系統(tǒng)的地面光斑間距在2-4m不等。激光雷達(dá)的作用是能精確測(cè)量目標(biāo)位置(距離和角度)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(速度、振動(dòng)和姿態(tài))和形狀，探測(cè)、識(shí)別、分辨和跟蹤目標(biāo)。經(jīng)過(guò)多年努力，科學(xué)家們已研制出火控激光雷達(dá)、偵測(cè)激光雷達(dá)、導(dǎo)彈制導(dǎo)激光雷達(dá)、靶場(chǎng)測(cè)量激光雷達(dá)、導(dǎo)航激光雷達(dá)等。
那么，雷達(dá)是什么呢?
老式雷達(dá)
雷達(dá)的出現(xiàn)，是由于一戰(zhàn)期間當(dāng)時(shí)英國(guó)和德國(guó)交戰(zhàn)時(shí)，英國(guó)急需一種能探測(cè)空中金屬物體的雷達(dá)(技術(shù))能在反空襲戰(zhàn)中幫助搜尋德國(guó)飛機(jī)。二戰(zhàn)期間，雷達(dá)就已經(jīng)出現(xiàn)了地對(duì)空、空對(duì)地(搜索)轟炸、空對(duì)空(截?fù)?火控、敵我識(shí)別功能的雷達(dá)技術(shù)。二戰(zhàn)以后，雷達(dá)發(fā)展了單脈沖角度跟蹤、脈沖多普勒信號(hào)處理、合成孔徑和脈沖壓縮的高分辨率、結(jié)合敵我識(shí)別的組合系統(tǒng)、結(jié)合計(jì)算機(jī)的自動(dòng)火控系統(tǒng)、地形回避和地形跟隨、無(wú)源或有源的相位陣列、頻率捷變、多目標(biāo)探測(cè)與跟蹤等新的雷達(dá)體制。
雷達(dá)，是無(wú)線電探測(cè)和測(cè)距，即用無(wú)線電的方法發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測(cè)定它們的空間位置。因此，雷達(dá)也被稱(chēng)為"無(wú)線電定位"。雷達(dá)是利用電磁波探測(cè)目標(biāo)的電子設(shè)備。雷達(dá)發(fā)射電磁波對(duì)目標(biāo)進(jìn)行照射并接收其回波，由此獲得目標(biāo)至電磁波發(fā)射點(diǎn)的距離、距離變化率(徑向速度)、方位、高度等信息。
雷達(dá)所起的作用和眼睛和耳朵相似，當(dāng)然，它不再是大自然的杰作，同時(shí)，它的信息載體是無(wú)線電波。事實(shí)上，不論是可見(jiàn)光或是無(wú)線電波，在本質(zhì)上是同一種東西，都是電磁波，在真空中傳播的速度都是光速C，差別在于它們各自的頻率和波長(zhǎng)不同。其原理是雷達(dá)設(shè)備的發(fā)射機(jī)通過(guò)天線把電磁波能量射向空間某一方向，處在此方向上的物體反射碰到的電磁波;雷達(dá)天線接收此反射波，送至接收設(shè)備進(jìn)行處理，提取有關(guān)該物體的某些信息(目標(biāo)物體至雷達(dá)的距離，距離變化率或徑向速度、方位、高度等)。
測(cè)量距離原理是測(cè)量發(fā)射脈沖與回波脈沖之間的時(shí)間差，因電磁波以光速傳播，據(jù)此就能換算成雷達(dá)與目標(biāo)的精確距離。測(cè)量目標(biāo)方位原理是利用天線的尖銳方位波束，通過(guò)測(cè)量仰角靠窄的仰角波束，從而根據(jù)仰角和距離就能計(jì)算出目標(biāo)高度。
測(cè)量速度原理是雷達(dá)根據(jù)自身和目標(biāo)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的頻率多普勒效應(yīng)。雷達(dá)接收到的目標(biāo)回波頻率與雷達(dá)發(fā)射頻率不同，兩者的差值稱(chēng)為多普勒頻率。從多普勒頻率中可提取的主要信息之一是雷達(dá)與目標(biāo)之間的距離變化率。當(dāng)目標(biāo)與干擾雜波同時(shí)存在于雷達(dá)的同一空間分辨單元內(nèi)時(shí)，雷達(dá)利用它們之間多普勒頻率的不同能從干擾雜波中檢測(cè)和跟蹤目標(biāo)。
激光雷達(dá)
用激光器作為發(fā)射光源，采用光電探測(cè)技術(shù)手段的主激光雷達(dá)。激光雷達(dá)動(dòng)遙感設(shè)備。激光雷達(dá)是激光技術(shù)與現(xiàn)代光電探測(cè)技術(shù)結(jié)合的先進(jìn)探測(cè)方式。由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信息處理等部分組成。發(fā)射系統(tǒng)是各種形式的激光器，如二氧化碳激光器、摻釹釔鋁石榴石激光器、半導(dǎo)體激光器及波長(zhǎng)可調(diào)諧的固體激光器以及光學(xué)擴(kuò)束單元等組成;接收系統(tǒng)采用望遠(yuǎn)鏡和各種形式的光電探測(cè)器，如光電倍增管、半導(dǎo)體光電二極管、雪崩光電二極管、紅外和可見(jiàn)光多元探測(cè)器件等組合。激光雷達(dá)采用脈沖或連續(xù)波2種工作方式，探測(cè)方法按照探測(cè)的原理不同可以分為米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射、熒光、多普勒等激光雷達(dá)。它是集激光，全球定位系統(tǒng)(GPS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)三種技術(shù)與一身的系統(tǒng)，用于獲得數(shù)據(jù)并生成精確的DEM。這三種技術(shù)的結(jié)合，可以高度準(zhǔn)確地定位激光束打在物體上的光斑。它又分為目前日臻成熟的用于獲得地面數(shù)字高程模型(DEM)的地形LIDAR系統(tǒng)和已經(jīng)成熟應(yīng)用的用于獲得水下DEM的水文LIDAR系統(tǒng)，這兩種系統(tǒng)的共同特點(diǎn)都是利用激光進(jìn)行探測(cè)和測(cè)量。
激光本身具有非常精確的測(cè)距能力，其測(cè)距精度可達(dá)幾個(gè)厘米，而LIDAR系統(tǒng)的精確度除了激光本身因素，還取決于激光、GPS及慣性測(cè)量單元(IMU)三者同步等內(nèi)在因素。隨著商用GPS及IMU的發(fā)展，通過(guò)LIDAR從移動(dòng)平臺(tái)上(如在飛機(jī)上)獲得高精度的數(shù)據(jù)已經(jīng)成為可能并被廣泛應(yīng)用。
LIDAR系統(tǒng)包括一個(gè)單束窄帶激光器和一個(gè)接收系統(tǒng)。激光器產(chǎn)生并發(fā)射一束光脈沖，打在物體上并反射回來(lái)，最終被接收器所接收。接收器準(zhǔn)確地測(cè)量光脈沖從發(fā)射到被反射回的傳播時(shí)間。因?yàn)楣饷}沖以光速傳播，所以接收器總會(huì)在下一個(gè)脈沖發(fā)出之前收到前一個(gè)被反射回的脈沖。鑒于光速是已知的，傳播時(shí)間即可被轉(zhuǎn)換為對(duì)距離的測(cè)量。結(jié)合激光器的高度，激光掃描角度，從GPS得到的激光器的位置和從INS得到的激光發(fā)射方向，就可以準(zhǔn)確地計(jì)算出每一個(gè)地面光斑的坐標(biāo)X，Y，Z。激光束發(fā)射的頻率可以從每秒幾個(gè)脈沖到每秒幾萬(wàn)個(gè)脈沖。舉例而言，一個(gè)頻率為每秒一萬(wàn)次脈沖的系統(tǒng)，接收器將會(huì)在一分鐘內(nèi)記錄六十萬(wàn)個(gè)點(diǎn)。一般而言，LIDAR系統(tǒng)的地面光斑間距在2-4m不等。激光雷達(dá)的作用是能精確測(cè)量目標(biāo)位置(距離和角度)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(速度、振動(dòng)和姿態(tài))和形狀，探測(cè)、識(shí)別、分辨和跟蹤目標(biāo)。經(jīng)過(guò)多年努力，科學(xué)家們已研制出火控激光雷達(dá)、偵測(cè)激光雷達(dá)、導(dǎo)彈制導(dǎo)激光雷達(dá)、靶場(chǎng)測(cè)量激光雷達(dá)、導(dǎo)航激光雷達(dá)等。
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