數十年來，LiDAR 傳感器已在全球工業中得以應用。這些傳感器提供人員防護并實現流程自動化。它們適用于室內與室外區域。其應用領域包括例如港口自動化、交通管理系統和目標保護設備。

本文將闡述不同 LiDAR 變型的基本工作方式。此外，通過所選示例介紹了非接觸式、通常不可見的激光掃描儀的應用選項。這些示例反映出 LiDAR 應用對工業 4.0 的重要性。

什么是 LiDAR？

利用激光進行非接觸式距離測量的傳感器已成為當今自動化領域不可或缺的一部分。這一發展始于所謂的 TOF 測量技術。TOF（Time of Flight） 即飛行時間，這一說法基本上已被更為準確的術語 LADAR 或比較常用的 LiDAR 所取代。LADAR（Laser Detectionand Ranging，激光檢測和測距）或 LiDAR（Light Detection and Ranging，光檢測和測距）源自通用術語 RADAR，它表示無線電檢測和測距（Radio Detection and Ranging）。

LiDAR 傳感器的 1D、2D 或 3D 變型

極簡款 LiDAR 傳感器在距離測量設備和傳感系統中用作點狀距離測量系統。通過對準自然目標或反射器，實現直接距離測量。

圖 1 SICK工業傳感器

通過此方式進行一維（距離）作業的傳感器被稱為一維傳感器，即 1D 傳感器。

如果測量光束在某一平面上旋轉或移動，則可獲得距離和角度數據，從而提供二維結果。用于此類測量的傳感器通常被稱為 2D激光掃描儀或 2D LiDAR 傳感器。它們按順序依次采集測量值，通常具有相等的測量時間間隔。

LiDAR 傳感器在旋轉時采用第三維度作業。由此提供 x 軸方向的距離和位置信息以及 y 軸和 z 軸方向的位置信息。當傳感器中的多個發射和接收系統沿不同的水平角度移動掃描時，可獲得有關不同空間參數的同類信息。此類傳感器現稱為多層掃描儀。

圖 2：電子控制系統結構

圖 3：控制系統電路原理圖

在傳統的控制系統中，由測量元件在工作流程輸出端非接觸式采集實際值是 LiDAR 傳感器的優勢所在。借助非接觸式測量方法，無需向被測物體施加機械壓力或其他壓力。由此確保流程不會產生反作用，并為后續控制系統回路提供可靠且可追溯的測量結果。

激光測量——各種測量方法

使用激光意味著主動照亮被測物體。通過主動照明有助于傳感器接收器在一切測量環境中對準發射源。傳感器不受外部光源影響，可在夜間、地下、隧道等環境中使用。無論是用于室外區域還是針對人造光源，性能始終如一。

激光提供連續穩定的聚焦光線，從而帶來其他優勢。由此，例如用于檢測物體的發射信號可實現高精度空間界定。傳感器采用人眼安全設計，同時滿足允許發射功率的相關法律要求，這一點對此至關重要。發射激光的 2D 和 3D 聚焦能夠提供高分辨率，用以對遠距離或微結構物體進行掃描。

使用激光作為發射源進行測量時，必須使用合適的接收元件。發射器和接收器以及具有高時間分辨率的評價單元共同構成 LiDAR傳感器的核心。如需使用所獲得的測量數據，后續的電子回路至關重要。用于機械對準發射和接收單元的數據與根據傳感器應用進行性能技術調整的數據于此匯總。

非接觸式測量方法要求能夠根據傳感器的測量原理對被測物體進行物理檢測。這意味著，使用激光時，激光光束必須無干擾地直接“照”射至物體并從物體射出。由此構成非接觸式激光測量的一大優勢：它適用于具有幾乎任何物理特征的被測物體。因此，基于激光的非接觸式檢測在工業領域中具有諸多應用選項。例如，基于激光的測量傳感器可用于物流（輸送流程等）、道路交通流量檢測或者港口集裝箱的裝卸流程自動化。

激光脈沖的反射光輸出直接取決于被測物體的物理特征和距離。由于激光脈沖沿發射方向呈直角平面擴散（即發散），到達物體單位面積上的光輸出將根據距離相應減少。針對反射光適用相同的擴散條件。另外，待照射表面的對準方式未必確保所有反射光均反射至傳感器。通常，只有一小部分反射光到達 LiDAR 傳感器的接收器。

圖 4：物體表面的光線反射

圖 5：反射角

物體反射量直接取決于物體的物理特征。這就是所謂的反射比。該值由物體的光澤度和反射率決定?？逻_標準表格中規定了反射比的百分比值。無煙煤的反射比約為 5％，黑色啞光鞋面革的反射比約為 10％，而白色干墻的反射比約為 90％。反射光朝向光源的逆向反射器可實現高達 10，000％ 的反射率，而反光膜亦可達到 3，000％。無論物體直接位于傳感器前方還是與之距離甚遠，其反射特征均對傳感器接收器的動態性提出挑戰。通過適當協調激光發射器、脈沖能量和接收器靈敏度，LiDAR 傳感器亦可可靠測量具有低反射比的遠距離物體。

如果使用激光進行距離測量，則將直接在光路中檢測物體和傳感器之間的最短距離。此為一大優勢：按照光速測量可防止額外偏轉，從而避免出現額外“放大”。然而，在個別應用中，它同樣是一項缺陷。因此可能難以測量放置在玻璃板或包裝膜后方的物體。在特定應用中，LiDAR 傳感器無法按需全角“觀測”，通常也無法透視物體。在大多數情況下，透明物體會對測量值造成干擾，但應用中通常可借助多重回波等技術可靠濾除。

圖 6：采用脈沖飛行時間測量的距離測量

通過選擇合適的測量方法，可針對具體應用優化 LiDAR 傳感器。

相位相關測量法

相位相關法是一種常見的距離測量方法。針對每條連續的激光光束分配一個具有特定頻率的信號。隨后，接收器檢測到發射光束和接收光束之間的相位飛行時間差，并由評價單元進行評估。相位差與傳感器和物體之間的距離有關。如果測量相位差時該值大于 360°，則無法獲得明確的距離數據，此為該方法的一大系統缺陷。這就是所謂的明確測距范圍（《 360°）。切換不同波長對應頻率的傳感器是一維系統中的解決方案，它們通過測量值的邏輯對比來實現大掃描范圍和高測量準確度。

脈沖飛行時間測量法

脈沖飛行時間測量法確保 LiDAR 傳感器能夠在掃描范圍高達數百米的情況下成功運行。同時還提供借助計量儀在幾厘米范圍內檢測飛行時間的傳感器。脈沖飛行時間測量法采用發射器、物體和接收器之間的純光脈沖飛行時間。如果物體反射激光脈沖，通過測量將檢測物體和傳感器之間的最短距離。由于按照光速測量，LiDAR 傳感器基于脈沖飛行時間測量法提供的測量值具有出色的可靠性與可用性。

圖 7：飛行時間測量的作用原理

HDDM+測量法（統計評估）：

升級型高分辨率距離測量 （HDDM+） 是一種統計式測量方法。。HDDM（+ 升級型高分辨率距離測量）是一種用于非接觸式距離測量的高分辨率光飛行時間測量法，既可用于距離傳感器，也可用于 2D 或 3D LiDAR 區域掃描傳感器。該技術適用于室內與室外區域，用于測量距漫反射物體和逆向反射型反射器的距離。采用 HDDM+ 的距離傳感器針對逆向反射型薄膜的掃描范圍可達 1.5 km。不同于“單脈沖”（single pulse） 或相位相關等技術，HDDM+ 是一種統計式測量方法。也就是說，傳感器以統計學方式分析多個激光脈沖的回波，以計算距離值。此外，還可憑借 HDDM+ 實現具有多重回波功能的傳感器。如有多個回波，則可識別到相關有效回波并加以評估。借此，即使在惡劣環境條件下亦可實現高測量可靠性的距離測量。

圖 8：全方位檢測掃描范圍，以 SICK LiDAR 傳感器 MRS1000 為例

評估測量光束中的多個接收脈沖

實際上不存在無限短的激光脈沖，光點也不能沿擴散方向無限聚焦（?。?，而傳感器可以利用由此產生的物理效應來計算測量值。反射回波信號是比較常見的效應，可用于多重采樣。如果激光光點大于被測物體，光點局部位于邊緣上，則部分光脈沖將由第一個被測物體反射，同時另一部分將由其后方的表面（如有）反射。該效應可重復多次，進而實現后續測量。當前的目標是研發出一種能夠將此類表面干擾效應投入應用的方法。傳感器提供各個角度反射回波的距離和回波值。1D 傳感器中的有效回波多達八個，而掃描型傳感器中至多為五個。通過發射多個回波，LiDAR 傳感器也可用于室外區域。由此能夠可靠濾除可視范圍內因雨、雪、灰塵和冰雹造成的干擾測量值。

圖 9：物體小于激光光束直徑

圖 10：測量光束中的多重回波效應

LiDAR 傳感器能夠針對各個角度行程檢測不同的距離測量值，如采用多重回波系統則可檢測多個測量值。該測量值可傳輸，用于內部評估或外部數據輸出。一旦在給定角度上檢測到測量值，則通過脈沖飛行時間測量法確保物體位于該測量光束上。如果LiDAR 傳感器安裝在車輛上，則連續兩次測量不一定涉及同一物體。在后續應用中必須進行評估，以確定測量值屬于該應用或者應當濾除（例如因部分位于可視范圍內而產生）。使用激光測量傳感器時，用戶可自由安裝適合其應用的篩選器。此外，傳感器通常具有可配置的附加篩選器。傳感器數據掃描包含用于確定測量時間的時間戳，其可與外部數據源同步。

圖 11：以 SICK LiDAR 傳感器LMS5xx 多重回波分析為例

1D、2D 或 3D 傳感器采用的測量方法

線性測量傳感器 （1D）

Dx1000 等距離傳感器沿被測物體方向進行一維線性掃描，以確定至自然目標（反射比高達 100%）或反射器的距離及距離變化。針對反射器測量時，掃描范圍最高可達 1，500 m （DL1000）。借助線性測量傳感器例如可按照精確間距定位大型起重機，進而完成抓取與卸載操作。根據具體應用優化測量周期時間，由此確保高度精確且可靠地采集遠距離與快速距離變化。

平面測量傳感器 （2D）

2D 傳感器的研發目的在于保留出色的激光測量特點，同時沿用至平面測量傳感器。為此通過偏轉鏡偏轉激光光束，這一方法看似簡單。在細節方面卻面臨挑戰。多數掃描型傳感器為同軸測量系統。其中，發射光束位于接收光束的中間?，F可通過偏轉鏡轉向。由此可保留激光測量所擁有的上述所有出色特點，例如大掃描范圍以及針對深色物體的測量能力。

對于 LiDAR 傳感器，激光脈沖的發射序列與電機旋轉頻率及所需角度分辨率同步。電機轉速通常由激光源的最大發射頻率和所需角度分辨率決定。旋轉周期內產生的脈沖數量不得超過激光器布線的允許范圍。

掃描型傳感器在發射序列的角度精確性和角度分辨率以及高測量頻率（電機轉速）方面同樣占據優勢。

通過偏轉鏡偏轉激光光束需要高機械精度。

圖中為多邊形發射器視圖，多邊形接收器側的接收光線通過聚光鏡引至側方接收器。使用偏轉鏡轉向時，每個多邊形面均可進行掃描，故多邊形構造可在低電機轉速下確保高掃描率。因此，根據多邊形面的數量和機械構造，可視范圍限制不超過 100度，LMS4000 為 70 度。

圖 13：SICK LiDAR 傳感器 LMS4000 構造，1 = 俯視圖；2 = 側視圖

如上所述，掃描頻率是 LiDAR 傳感器的一大重要特點。通過使用多個發射器與接收器可提高采樣率。SICK 的一款 LiDAR 傳感器LMS1000 共有 4 個發射/接收模塊，采用交叉布局（俯視）繞軸旋轉。實際上設有四個激光傳感器，彼此間以 90 度的相位距掃描同一平面。如果電機按照 50 Hz 旋轉（一個整圈 20 ms），則掃描每個 90 度區域將用時20 ms的 ? 。四個模塊覆蓋一個整圈（即 360度），其中每個模塊只需掃描 90 度。也就是說，360 度的可視范圍將在 5 ms 內掃描完畢；換言之：傳感器以 200 Hz 的采樣率作業。

對于平面測量型 LiDAR 傳感器，掃描面的角度分辨率是關鍵。其所含信息確定是否能夠全方位掃描平面。為此，許多傳感器根據具體應用提供合適的角度分辨率。例如，LMS511 可借助掃描頻率改變角度分辨率。其激光光點尺寸大于傳感器的角度分辨率，從而得以全方位檢測掃描區域。不同掃描儀的有效掃描范圍為 10 至 80 m 不等。即使反射光束特征要求高，例如反射比僅為 10%，這一點同樣適用。

圖 14：SICK LiDAR 傳感器 LMS5xx 示例

圖 15：在 0 m 至 80 m 范圍內，SICK LiDAR 傳感器 LMS500 測量點之間的光束直徑與間距

空間測量傳感器 （3D）

基于所述的平面測量型 LiDAR 傳感器原理，衍生出一個疑問：如何實現三維物體測量？

如欲利用 2D LiDAR 傳感器的測量數據生成 3D 圖像，除標準數據輸出報文外，還需要傳感器在用戶坐標系中的機械安裝位置。輸出的掃描圖像帶有時間戳與編號，以便用戶能夠按照正確的時間和位置條理清晰地生成連續輸出的掃描圖像。由此亦可通過固定在機架或支柱上的傳感器為移動物體生成 3D 圖像。理論上，此時還需要物體自身移動的速度向量，以便同步采集掃描頻率與各次物體掃描的實際距離。由此也可測量經過傳感器下方的物體長度。例如可用于借助激光傳感器提供具體車輛類別數據的收費系統，或是測量車輛尺寸或超寬物體的體積測量系統。

根據傳感器測量數據提供的信息，各臺 SICK 激光傳感器也可自行“移動”。這一情況常見于擺動設備或利用線性軸創建物體“3D距離圖像”。在此類應用中，物體通常保持靜止。例如用于龍門吊的自動裝卸裝置或體積測量系統。由于設計堅固耐用，SICK 傳感器不會受到擺動、加速或制動等移動過程的影響。

多層掃描儀

擁有 4 個掃描面的 LiDAR 傳感器

3D LiDAR 傳感器的產品系列增添諸多特點。通過多個發射器與接收器或二合一設計，可形成同時或偏角掃描多個層面的傳感器。這意味著，除水平方向的 2D 層面（即傳感器水平放置時的 0° 層）外，LD-MRS 或 MRS1000 及 MRS6000 產品系列的傳感器還能掃描上傾或下傾的層面。

3D LiDAR 傳感器 MRS1000

圖 18：SICK LiDAR 傳感器MRS1000 例圖

用戶顯著獲益。通過旋轉產生更多測量點。為此需要采集距離、水平面角度、三維空間的各平面角度等信息。根據這三項空間坐標，可確定測量點 X、Y、Z 在原始坐標系中的位置。這一測量值在很大程度上顯示出 SICK AG 傳感器（包括 1D 或 2D 傳感器）慣有的相同可用性。例如，MRS1000 擁有四個層面，分別傾斜 2.5°。相較于 2D 傳感器，相同時間內可掃描更多測量點。此外，多層機械構造還有助于提高采樣速度。

多層系統提供各種不同的結構型式。MRS1000 的內部發射與接收模塊構成層面傾斜。因此，每個模塊均可旋轉 90° 掃描一個區域。如此一來，只需整圈用時的四分之一即可檢測具有多個層面的物體。

3D 傳感器及利用偏轉鏡偏轉發射/接收路徑“視角”的測量原理保留激光測量的優勢。如果以不同角度定向模塊，除掃描方向的距離和角度外，測量物體時還會確定物體平面角度，即 x、y 與 z 空間坐標。如需針對各個平面進行測量，亦可保留高靈敏度和大掃描范圍的優勢。

圖 19：SICK LiDAR 傳感器 MRS1000 構造

距離約 16 m 時，MRS1000 的橫向覆蓋范圍可達 2 m 左右。斜面呈錐狀。

若傳感器安裝在穿行通道的無人駕駛車輛（例如 AGV 或 AGC）上，則可在經過時掃描物體表面。通過傾斜傳感器可改變掃描范圍。五米以內的近距離層面傾斜會形成寬約 0.5 m 的掃描范圍。由此實現近距離快速反應，即使是小型物體亦可逐層掃描。通過偏置90 度的發射/接收模塊布局，掃描速度較之單個模塊的旋轉頻率快四倍。

3D LiDAR 傳感器 MRS6000

在 MRS6000 中，可利用多面鏡效應迭置多個發射器。這是令一臺掃描儀產生多個測量面的另一方法。每個多面鏡用于傾斜含 6條光束的發射套組，因此多邊形轉滿一圈便可通過 4 個多邊形面獲得 24 個層面。MRS6000 實現覆蓋整個水平孔徑角的全方位掃描。其具備 120 度的水平孔徑角與 15 度的垂直孔徑角。

圖 20：作用原理 3D 示圖

3D LiDAR 傳感器 LD-MRS

多層掃描儀 LD-MRS 憑借 4 至 8 個掃描面覆蓋高達 100 m 的大掃描范圍，而 MRS1000 在 AGV 中的掃描范圍最多可達 30 m。

LD-MRS 系列傳感器使用兩個高級激光二極管作為發射元件。此外，接收信號可分別分給 2 個接收元件。因此，LD-MRS 傳感器具有四個層面。它的機械構造與 MRS6000 多邊形掃描儀類似，但其多邊形由雙面構成，即偏轉鏡正面與背面。

圖 21：SICK LiDAR 傳感器 LD-MRS 層面構造