詳解激光雷達的7大分類
來源:江西上科極星光電技術有限公司發(fā)布時間：2023-03-20
激光雷達是集激光、全球定位系統(tǒng)（GPS）、和IMU（慣性測量裝置）三種技術于一身的系統(tǒng)，相比普通雷達，激光雷達具有分辨率高，隱蔽性好、抗干擾能力更強等優(yōu)勢。
隨著科技的不斷發(fā)展，激光雷達的應用越來越廣泛，在機器人、無人駕駛、無人車等領域都能看到它的身影，有需求必然會有市場，隨著激光雷達需求的不斷增大，激光雷達的種類也變得琳瑯滿目，按照使用功能、探測方式、載荷平臺等激光雷達可分為不同的類型。
激光雷達按功能分類
1.激光測距雷達
激光測距雷達是通過對被測物體發(fā)射激光光束，并接收該激光光束的反射波，記錄該時間差，來確定被測物體與測試點的距離。傳統(tǒng)上，激光雷達可用于工業(yè)的安全檢測領域，如科幻片中看到的激光墻，當有人闖入時，系統(tǒng)會立馬做出反應，發(fā)出預警。另外，激光測距雷達在空間測繪領域也有廣泛應用。但隨著人工智能行業(yè)的興起，激光測距雷達已成為機器人體內不可或缺的核心部件，配合SLAM技術使用，可幫助機器人進行實時定位導航，，實現(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機器人自主定位導航的典型代表，其在25米測距半徑內，可完成每秒上萬次的激光測距，并實現(xiàn)毫米級別的解析度。
2.激光測速雷達
激光測速雷達是對物體移動速度的測量，通過對被測物體進行兩次有特定時間間隔的激光測距，從而得到該被測物體的移動速度。
激光雷達測速的方法主要有兩大類，一類是基于激光雷達測距原理實現(xiàn)，即以一定時間間隔連續(xù)測量目標距離，用兩次目標距離的差值除以時間間隔就可得知目標的速度值，速度的方向根據(jù)距離差值的正負就可以確定。這種方法系統(tǒng)結構簡單，測量精度有限，只能用于反射激光較強的硬目標。
另一類測速方法是利用多普勒頻移。多普勒頻移是指目標與激光雷達之間存在相對速度時，接收回波信號的頻率與發(fā)射信號的頻率之間會產(chǎn)生一個頻率差，這個頻率差就是多普勒頻移。
3.激光成像雷達
激光成像雷達可用于探測和跟蹤目標、獲得目標方位及速度信息等。它能夠完成普通雷達所不能完成的任務，如探測潛艇、水雷、隱藏的軍事目標等等。在軍事、航空航天、工業(yè)和醫(yī)學領域被廣泛應用。
4.大氣探測激光雷達
大氣探測激光雷達主要是用來探測大氣中的分子、煙霧的密度、溫度、風速、風向及大氣中水蒸氣的濃度的，以達到對大氣環(huán)境進行監(jiān)測及對暴風雨、沙塵暴等災害性天氣進行預報的目的。
5.跟蹤雷達
跟蹤雷達可以連續(xù)的去跟蹤一個目標，并測量該目標的坐標，提供目標的運動軌跡。不僅用于火炮控制、導彈制導、外彈道測量、衛(wèi)星跟蹤、突防技術研究等，而且在氣象、交通、科學研究等領域也在日益擴大。
按工作介質分類
1.固體激光雷達
固體激光雷達峰值功率高，輸出波長范圍與現(xiàn)有的光學元件與器件，輸出長范圍與現(xiàn)有的光學元件與器件(如調制器、隔離器和探測器）以及大氣傳輸特性相匹配等，而且很容易實現(xiàn)主振蕩器-功率放大器（MOPA）結構，再加上效率高、體積小、重量輕、可靠性高和穩(wěn)定性好等導體，固體激光雷達優(yōu)先在機載和天基系統(tǒng)中應用。近年來，激光雷達發(fā)展的重點是二極管泵浦固體激光雷達。
2.氣體激光雷達
氣體激光雷達以CO2激光雷達為代表，它工作在紅外波段，大氣傳輸衰減小，探測距離遠，已經(jīng)在大氣風場和環(huán)境監(jiān)測方面發(fā)揮了很大作用，但體積大，使用的中紅外HgCdTe探測器必須在77K溫度下工作,限制了氣體激光雷達的發(fā)展。
3.半導體激光雷達
半導體激光雷達能以高重復頻率方式連續(xù)工作，具有長壽命，小體積，低成本和對人眼傷害小的優(yōu)點，被廣泛應用于后向散射信號比較強的Mie散射測量，如探測云底高度。半導體激光雷達的潛在應用是測量能見度，獲得大氣邊界層中的氣溶膠消光廓線和識別雨雪等，易于制成機載設備。目前芬蘭Vaisala公司研制的CT25K激光測云儀是半導體測云激光雷達的典型代表，其云底高度的測量范圍可達7500m。
按線數(shù)分類
1.單線激光雷達
單線激光雷達主要用于規(guī)避障礙物，其掃描速度快、分辨率強、可靠性高。由于單線激光雷達比多線和3D激光雷達在角頻率和靈敏度反映更加快捷，所以，在測試周圍障礙物的距離和精度上都更加精確。但是，單線雷達只能平面式掃描，不能測量物體高度，有一定局限性。當前主要應用于服務機器人身上，如我們常見的掃地機器人。
2.多線激光雷達
多線激光雷達主要應用于汽車的雷達成像，相比單線激光雷達在維度提升和場景還原上有了質的改變，可以識別物體的高度信息。多線激光雷達常規(guī)是2.5D，而且可以做到3D。目前在國際市場上推出的主要有4線、8線、16線、32線和64線。但價格高昂，大多車企不會選用。
按掃描方式分類
1.MEMS型激光雷達
MEMS型激光雷達可以動態(tài)調整自己的掃描模式，以此來聚焦特殊物體，采集更遠更小物體的細節(jié)信息并對其進行識別，這是傳統(tǒng)機械激光雷達無法實現(xiàn)的。MEMS整套系統(tǒng)只需一個很小的反射鏡就能引導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，速度快到可以在不到一秒時間里跟蹤到2D掃描模式。
2.Flash型激光雷達
Flash型激光雷達能快速記錄整個場景，避免了掃描過程中目標或激光雷達移動帶來的各種麻煩，它運行起來比較像攝像頭。激光束會直接向各個方向漫射，因此只要一次快閃就能照亮整個場景。隨后，系統(tǒng)會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，當然也存在一定的缺陷。當像素越大，需要處理的信號就會越多，如果將海量像素塞進光電探測器，必然會帶來各種干擾，其結果就是精度的下降。
3.相控陣激光雷達
相控陣激光雷達搭載的一排發(fā)射器可以通過調整信號的相對相位來改變激光束的發(fā)射方向。目前大多數(shù)相控陣激光雷達還在實驗室里呆著，而現(xiàn)在仍停留在旋轉式或MEMS激光雷達的時代。
4.機械旋轉式激光雷達
機械旋轉式激光雷達是發(fā)展比較早的激光雷達，目前技術比較成熟，但機械旋轉式激光雷達系統(tǒng)結構十分復雜，且各核心組件價格也都頗為昂貴，其中主要包括激光器、掃描器、光學組件、光電探測器、接收IC以及位置和導航器件等。由于硬件成本高，導致量產(chǎn)困難，且穩(wěn)定性也有待提升，目前固態(tài)激光雷達成為很多公司的發(fā)展方向。
按探測方式分類
1.直接探測激光雷達
直接探測型激光雷達的基本結構與激光測距機頗為相近。工作時，由發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送一個信號，經(jīng)目標反射后被接收系統(tǒng)收集，通過測量激光信號往返傳播的時間而確定目標的距離。至于目標的徑向速度，則可以由反射光的多普勒頻移來確定，也可以測量兩個或多個距離，并計算其變化率而求得速度。
2.相干探測激光雷達
相干探測型激光雷達有單穩(wěn)與雙穩(wěn)之分，在所謂單穩(wěn)系統(tǒng)中，發(fā)送與接收信號共用一個光學孔徑，并由發(fā)送-接收開關隔離。而雙穩(wěn)系統(tǒng)則包括兩個光學孔徑，分別供發(fā)送與接收信號使用，發(fā)送-接收開關自然不再需要，其余部分與單穩(wěn)系統(tǒng)相同。
按激光發(fā)射波形分類
1.連續(xù)型激光雷達
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，它的光會一直亮著（特殊情況除外）。連續(xù)激光是依靠持續(xù)亮光到待測高度，進行某個高度下數(shù)據(jù)采集。由于連續(xù)激光的工作特點，某時某刻只能采集到一個點的數(shù)據(jù)。因為風數(shù)據(jù)的不確定特性，用一點代表某個高度的風況，顯然有些片面。因此有些廠家折中的辦法是采取旋轉360度，在這個圓邊上面采集多點進行平均評估，顯然這是一個虛擬平面中的多點統(tǒng)計數(shù)據(jù)的概念。
2.脈沖型激光雷達
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)射幾萬個的激光粒子，根據(jù)國際通用的多普勒原理，從這幾萬個激光粒子的反射情況來綜合評價某個高度的風況，這個是一個立體的概念，因此才有探測長度的理論。從激光的特性來看，脈沖激光要比連續(xù)激光測量的點位多幾十倍，更能夠精確的反應出某個高度風況。
按載荷平臺分類
1.機載激光雷達
機載激光雷達是將激光測距設備、GNSS設備和INS等設備緊密集成，以飛行平臺為載體，通過對地面進行掃描，記錄目標的姿態(tài)、位置和反射強度等信息，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。在軍民用領域都有廣泛的潛力和前景。機載激光雷達探測距離近，激光在大氣中傳輸時，能量受大氣影響而衰減，激光雷達的作用距離在20千米以內，尤其在惡劣氣候條件下，比如濃霧、大雨和煙、塵，作用距離會大大縮短，難以有效工作。大氣湍流也會不同程度上降低激光雷達的測量精度。
2.車載激光雷達
車載激光雷達又稱車載三維激光掃描儀，是一種移動型三維激光掃描系統(tǒng)，可以通過發(fā)射和接受激光束，分析激光遇到目標對象后的折返時間，計算出目標對象與車的相對距離，并利用收集的目標對象表面大量的密集點的三維坐標、反射率等信息，快速復建出目標的三維模型及各種圖件數(shù)據(jù)，建立三維點云圖，繪制出環(huán)境地圖，以達到環(huán)境感知的目的。車載激光雷達在自動駕駛“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)，都在其自動駕駛系統(tǒng)中使用了激光雷達，帶動車載激光雷達產(chǎn)業(yè)迅速擴大。
3.地基激光雷達
地基激光雷達可以獲取林區(qū)的3D點云信息，利用點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。通過對國內外該技術林業(yè)應用的分析和對該發(fā)明研究后期的結果驗證，未來將會在更大的研究區(qū)域利用該技術提取各種森林參數(shù)。
4.星載激光雷達
星載雷達采用衛(wèi)星平臺，運行軌道高、觀測視野廣，可以觸及世界的每一個角落。為境外地區(qū)三維控制點和數(shù)字地面模型的獲取提供了新的途徑，無論對于國防或是科學研究都具有十分重大意義。星載激光雷達還具有觀察整個天體的能力，美國進行的月球和火星等探測計劃中都包含了星載激光雷達，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，星載激光雷達載植被垂直分布測量、海面高度測量、云層和氣溶膠垂直分布測量以及特殊氣候現(xiàn)象監(jiān)測等方面也可以發(fā)揮重要作用。