什么是激光雷達？

激光雷達（LiDAR）是光探測與測距（Light Detection and Ranging）技術的縮寫。在工作過程中，激光束從光源發射并被場景中的物體反射回探測器，通過測量光束飛行時間（Time of Flight，簡稱ToF），可以推算出場景內物體的距離，并生成距離地圖。

目前，LiDAR已廣泛應用于各個領域。在大氣科學中，LiDAR被用于空氣質量監測和污染物檢測；在天文學領域，LiDAR技術可用于觀察行星表面地貌特征以及太陽系內其他天體的形態結構；在工程建設方面，利用LiDAR技術可以快速獲取地形數據、制作數字高程模型（DEM）以及生成精確的三維地圖；而在汽車領域中，人們普遍認為LiDAR是一項關鍵的光學距離感知技術，在自動駕駛領域得到了廣泛應用。幾乎所有投入自動駕駛研發的廠商都將LiDAR視為一項關鍵技術，并且已經有一些低成本、小體積的LiDAR系統被應用于高級駕駛輔助系統（Advanced Driver Assistance Systems, ADAS）。

LiDAR 系統的工作原理及解決方案

本質上講，LiDAR 是一個測量目標物體距離的裝置。通過發射一個短的激光脈沖，并記錄發射光脈沖與探測到的反射（反向散射）光脈沖的時間間隔，就可以推算出距離信息。

▲系統的工作原理及解決方案

LiDAR系統可以使用掃描反射鏡，多束激光或其它的方式“掃描”物體空間。借助其精確的測距能力，LiDAR 能夠用于解決許多不同的問題。

在遙感應用中，LiDAR系統用于測量散射，吸收，或大氣中的顆粒或原子的再發射。在這些應用中，對激光束的波長可能會有專門的要求。可以用來測量特定分子種類在大氣中的濃度，例如甲烷和氣溶膠含量。而測量大氣中的雨滴則可以用來估計風暴距離和降水概率。

LiDAR還能夠用于確定測量目標的速度。這可以通過多普勒方法或快速連續測距來實現。例如，可以使用LiDAR系統測量風速和車速。

另外，LiDAR系統能夠用于建立動態場景的三維模型，這是自動駕駛中會遇到的情形。這可以通過多種方式來實現，通常使用的是掃描的方式。

LiDAR 技術中的挑戰

在可實現的LiDAR系統中存在一些眾所周知的挑戰。這些挑戰根據LiDAR系統的類型有所不同。以下是一些示例：

隔離和抑制發射光束的信號——探測光束的輻射亮度通常遠大于回波光束。必須注意確保探測光束不會被系統自身反射或散射回接收器，否則探測器將會因為飽和而無法探測外部目標。

發射端與預定目標之間的大氣雜質會產生虛假回波——這些大氣雜質產生的虛假回波可能會非常強烈，以至于無法可靠的檢測到來自預定目標物的回波信號。

可用光功率限制——更高功率的光束可以提供更高的精度，但也更加昂貴。

掃描速度——激光光源的工作頻率可能對人眼造成危害并引發安全問題，然而我們可以通過其他方法來緩解這個問題。例如，固態LiDAR能夠在不威脅人眼安全的波長下運行，并且還能照亮更廣闊的區域。

來自附近其他LiDAR裝置的信號串擾可能會干擾目標信號。當前所面臨的挑戰在于如何區分來自周邊其他LiDAR設備的信號，而各種信號調制和隔離方法也正在積極研發中。

LiDAR系統的成本和維護——這類系統相比一些替代技術所使用的傳感器類型更加昂貴，當然持續不斷的開發工作也在積極進行，為滿足其大規模使用的需要而開發生產成本更低的系統。抑制非目標對象的回波——類似于抑制之前提到的大氣虛假信號。但是這也可能會出現在空氣質量良好的情況下。應對這一挑戰通常涉及在不同的目標距離處，以及在LiDAR接收器的視場范圍之內使光束尺寸盡可能更小。

LiDAR 技術的其它應用

LiDAR 的應用范圍廣泛而多樣。在大氣科學中，LiDAR已被用于檢測多種大氣成分。已經應用于表征大氣中的氣溶膠，研究高層大氣風，剖面云，幫助收集天氣數據，以及其它許多應用場合。在天文學中，LiDAR已被用于測量距離，包括遠距離物體（例如月球）和近距離物體。實際上，LiDAR是將地月距離測量的精度提高到毫米級的關鍵設備。LiDAR還在天文學應用中用于建立導星。

▲ 大橋的俯視圖（左上）和側視圖（左下）

LiDAR 數據通常在空中收集，如NOAA在加州大蘇爾Bixby大橋上空的調查飛機（右圖）。這里的LiDAR數據顯示了Bixby大橋的俯視圖（左上）和側視圖（左下）。NOAA的科學家使用基于LiDAR的裝置檢查自然和人造環境。LiDAR數據支持洪水和風暴潮建模、水動力建模、海岸線測繪、應急響應、水文測量以及海岸脆弱性分析等活動。

此外，地形LiDAR使用近紅外激光繪制地形和建筑物地圖，而測深LiDAR使用透水綠光繪制海底和河床地圖。在農業中，LiDAR可用于繪制拓撲圖和作物生長圖，從而提供有關肥料需求和灌溉需求的信息。在考古學中，LiDAR已被用于繪制茂密森林樹冠下的古代交通系統地圖。

如今，LiDAR經常用于創建所處空間的三維模型。自主導航是使用LiDAR系統生成的點云數據的應用之一。微型LiDAR系統甚至能夠嵌入在手機大小的設備中。

LiDAR 在現實世界中如何發揮作用

自主導航中的態勢感知是LiDAR的一個最引人入勝的應用。任何移動車輛的態勢感知系統都需要同樣了解其周圍的靜止和移動物體。例如，雷達技術長期以來用于探測飛機。對于地面車輛，已經發現LiDAR非常有用，因為它能夠確定物體的距離并且在方向性上非常精確。探測光束能夠在角度上精確定向并快速掃描，據此創建三維模型點云數據。因為車輛周圍的情況是高度動態的，所以快速掃描能力對這類應用至關重要。

▲自動駕駛汽車中的汽車傳感器使用攝像頭數據、雷達和LiDAR來檢測周圍的物體

▲ 自動駕駛汽車使用LiDAR傳感器探測周圍建筑和車輛

開發LiDAR 系統所需要的軟件工具

軟件在LiDAR系統的創建和運行中的各個環節都非常關鍵。系統工程師需要輻射模型來預測回波信號的信噪比。電子工程師需要電子模型來建立電氣設計。機械工程師需要CAD工具來完成系統布局。還可能會需要結構和熱建模軟件。LiDAR系統的運行需要控制軟件和將點云轉換并重建為三維模型的軟件。而LiDAR是利用光作為探測媒介來感知周圍的系統，因此光學工程師運用光學軟件設計可靠穩定的光學系統是關鍵。

新思科技提供的多個光學和光子學工具，可用于支持LiDAR的系統級和元件級設計：

CODE V 光學設計軟件，用于在LiDAR系統中設計光學接收系統。

光學設計應用：在 LiDAR系統中優化接收器上的圈入能量。

▲ 使用CODE V優化LiDAR中的接收光學系統

LightTools 照明設計軟件能模擬雨滴、霧霾等大氣環境對光信號探測造成的影響，并能獲取返回光程數據以解決飛行時間計算問題。

用于 LiDAR 和激光光源的功能。

▲ 使用LightTools模擬LiDAR光學系統

Photonic Solutions光子方案模擬工具，能夠對LiDAR系統中的多個組件進行優化設計。

RSoft 工具，能夠支持對片上LiDAR器件進行復雜的布局設計。任何單一仿真工具都無法勝任如此復雜性質的設計問題。組合使用RSoft工具，如FullWAVE FDTD用于發射器，Multiphysics Utility用于T-O Phaser，BeamPROP BPM用于分束器，將會達成最佳布局設計。

OptSim，用于設計和模擬光通信系統。

光學相干斷層掃描（OCT）和光探測和測距（LiDAR）應用中接收到的射頻頻譜，得到飛行時間（ToF）的分辨率及測量結果。

OptoCompiler，用于光子集成電路。

光子集成電路的應用領域也在持續擴展，從數據中心中的收發器和開關到更多樣化的汽車，生物醫學和傳感器市場，如（固態）LiDAR，層析成像和自由空間傳感器。

▲ 在片上LiDAR的設計中對不同元件組合使用RSoft工具

總結

總之，隨著科技不斷進步與發展，LiDAR已經成為多個領域不可或缺且無法替代的關鍵工具之一。其廣泛應用將進一步推動各行各業向著更加智能化、高效率和精準度發展，并為人類社會帶來更多福祉與便利。

審核編輯：湯梓紅