編者按：在如今的智能手機(jī)和汽車產(chǎn)業(yè)，激光雷達(dá)越來越成為一個(gè)常見詞匯，而且有越來越頻繁之勢(shì)；不僅如此，有咨詢公司預(yù)計(jì)全球汽車激光雷達(dá)市場(chǎng)將在 2032 年將達(dá)到 280 億美元。然而，如果把時(shí)間往回?fù)?50 年，激光雷達(dá)的應(yīng)用領(lǐng)域僅局限于太空探測(cè)，這不由得讓我們好奇，激光雷達(dá)是如何一步一步發(fā)展到今天的？圍繞這一話題，外媒作者 Tyler Charboneau 進(jìn)行了全面而深入的解讀，雷鋒網(wǎng)對(duì)本文進(jìn)行了不改變?cè)獾木幾g。

半個(gè)多世紀(jì)以來，LiDAR 已經(jīng)在多個(gè)行業(yè)和技術(shù)應(yīng)用中嶄露頭角。

這項(xiàng)技術(shù)用途特殊，甚至被譽(yù)為雷達(dá)的繼承者。最近一直在穩(wěn)步發(fā)展的 LiDAR 技術(shù)，是如何從龐大笨重變得更加高效的？它又是如何成為自動(dòng)駕駛的主要技術(shù)呢？

激光雷達(dá)的地質(zhì)測(cè)繪首秀

在二戰(zhàn)后的幾十年里，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 ( USGS ) 專注于自動(dòng)化測(cè)繪過程。新技術(shù)與航空攝影相結(jié)合，很快，激光技術(shù)就開啟了大規(guī)模測(cè)繪新世界的大門，測(cè)繪效率上升一個(gè)級(jí)別。

為快速成像打開大門的激光技術(shù)到 70 年代更加成熟?；诩す獾倪h(yuǎn)程傳感器，能夠幫助飛機(jī)繪制出海洋、冰川和森林的地圖。

在“阿波羅”任務(wù)期間，激光掃描對(duì)于生成月球表面的 3D 圖像也至關(guān)重要。

LiDAR 系統(tǒng)在阿波羅任務(wù)中飛行。圖片由 NASA 和 James Abshire 提供

據(jù)美國(guó)宇航局稱，阿波羅 15 號(hào)至 17 號(hào)采用了一種依賴于 “紅寶石激光器閃光燈泵浦”（lashlamp-pumped ruby laser）的 LiDAR ，繪制月球表面圖。這種激光器被稱之為激光高度計(jì)，具有每分鐘 3.75 次的低脈沖頻率，并依靠機(jī)械部件來發(fā)揮作用。

值得一提的是，LiDAR 首字母縮寫詞最初是 “光”（Light）和“雷達(dá)”（Radar）的混合體，概念和名稱最終演變成現(xiàn)在的形式，也被稱為激光成像檢測(cè)和測(cè)距。

LiDAR 技術(shù)在它發(fā)展的最初一個(gè)十年只是找到了立足點(diǎn)，到了 80 年代，LiDAR 開始全面成型。

SoC推動(dòng)下一代激光雷達(dá)出現(xiàn)

80 年代的 LiDAR 技術(shù)向前邁出了重要一步，這主要是因?yàn)楣腆w電路技術(shù)的出現(xiàn)，電機(jī)和齒輪讓位于片上系統(tǒng) （SoC）。這種現(xiàn)代、緊湊的封裝方式可以控制其激光系統(tǒng)掃描場(chǎng)景。另一方面，半導(dǎo)體技術(shù)的出現(xiàn)幫助這些 LiDAR 系統(tǒng)縮小了尺寸。

激光雷達(dá)電路緊湊性的提高與二極管系統(tǒng)的到來密切相關(guān)，可靠性的提高則意味著 NASA 的 LiDAR 裝置可以持續(xù)運(yùn)行多年。

此外，基于 SoC 的激光雷達(dá)技術(shù)還在以下應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用：

• 經(jīng)過超過 6 億次測(cè)量，繪制出火星的表面形狀；

• 經(jīng)過近 20 億次激光測(cè)量，地球地形和大氣掃描得以初步擴(kuò)展；

• 測(cè)量各種小行星的形狀；

基于 LiDAR 的激光二極管明顯效率更高、壽命更長(zhǎng)，產(chǎn)生的激光密度更大，分辨率更高。例如，對(duì)南極洲和格陵蘭島的測(cè)量，其高度分辨率僅為幾毫秒。

第一個(gè)利用這種方法的太空 LiDAR 使用摻釹釔鋁石榴石 （Neodymium-doped Yttrium Aluminum Garnet， Nd:YAG）)激光器，并被稱為火星軌道器激光高度計(jì)（Mars Orbiter Laser Altimeter，MOLA）。

NASA 的 MOLA 示意圖。圖片由NASA 提供

YAG 激光器以其功率和穿透深度而聞名，可以相對(duì)輕松地清除 LiDAR 源和目標(biāo)之間的障礙物。

在此期間出現(xiàn)的另一項(xiàng)技術(shù)是染料激光（dye lasers）。脈沖染料激光雷達(dá)（Pluse-dye LiDAR）的工作波長(zhǎng)更寬，產(chǎn)生的脈沖短至 10 飛秒（或十億分之一秒）。

在 80 年代之前，由于商業(yè)化成本高昂，加上 GPS 的短缺減緩了航空系統(tǒng)的推出，LiDAR 的普及受到嚴(yán)重阻礙。不過，一旦生產(chǎn)商克服了這一障礙，LiDAR 就可以被廣泛用于收集地理數(shù)據(jù)和進(jìn)行大氣研究。

脈沖頻率的增加和激光波長(zhǎng)的縮短使測(cè)量空氣中的微粒變得更加容易。

可見，幾乎每隔十年，LiDAR 技術(shù)就會(huì)取得巨大的進(jìn)步；那么 90 年代的 LiDAR 是什么樣？

第四個(gè) 10 年，激光雷達(dá)商業(yè)化

快進(jìn)到 90 年代，LiDAR 開始受到市場(chǎng)青睞。同其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比，LiDAR 系統(tǒng)在市場(chǎng)上大受歡迎。這是因?yàn)檎畽C(jī)構(gòu)不再壟斷該技術(shù)，盡管在此之前，政府的資金和研發(fā)為這項(xiàng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

通過將機(jī)載激光發(fā)射掃描與航拍相機(jī)相結(jié)合，飛機(jī)可以在測(cè)繪時(shí)輕松捕獲 3D 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。從表面分析的角度來看，這些數(shù)據(jù)非常有價(jià)值。這是因?yàn)槠渌麥y(cè)繪方式都是通過推理完成，有時(shí)候會(huì)做出有根據(jù)的猜測(cè)來繪制地圖，而 LiDAR 卻是直接測(cè)量，繪制的地圖更加可靠和快速。自此，由傳感器驅(qū)動(dòng)的測(cè)繪成為“減少失真”的代名詞。

此外，這些系統(tǒng)的價(jià)格在接下來的十年里穩(wěn)步下降，以至于 LiDAR 的價(jià)格更加親民，雖然對(duì)很多人來說依然比較昂貴。

隨著固體電路技術(shù)的成熟，LiDAR 也向前邁進(jìn)了一步。雖然以前有以其脈沖速度而聞名的染料激光器，但新型的基于 SoC 的激光器可以產(chǎn)生的脈沖短至 5 飛秒。1 飛秒內(nèi)，光傳播的距離大約為300納米，這個(gè)距離比有歷史記載以來最小的細(xì)菌略大一點(diǎn)，這些激光波長(zhǎng)范圍涵蓋從紫外線到紅外線全部波長(zhǎng)。

總體而言，直到 1995 年左右，典型的 LiDAR 系統(tǒng)都包含 YAG、紅寶石或 YLF 激光器，大型接收望遠(yuǎn)鏡也是必不可少的組件。但是，這些 LiDAR 解決方案復(fù)雜、繁瑣、耗電大、需要在專業(yè)人士的指導(dǎo)下操作。如果這項(xiàng)技術(shù)想要覆蓋地更廣，就需要做出一些改變。

盡管面臨的挑戰(zhàn)有很多，但 LiDAR 被廣泛應(yīng)用仍然有很大的希望。在 LiDAR 的大部分歷史中，它主要用于太空探測(cè)——那么它是如何轉(zhuǎn)移到車輛上，如今廣為人知的呢？

如今的激光雷達(dá)

迄今為止，LiDAR 已經(jīng)走過 50 年的漫長(zhǎng)旅程。雖然一些 LiDAR 系統(tǒng)的成本可能依然高達(dá) 75000 美元，但總體而言最近成本在下降。

現(xiàn)在，通過像 Luminar 等這樣的公司，只需要 500 美元的價(jià)格就可以獲得商用級(jí) LiDAR 裝置。此外，據(jù)預(yù)測(cè)，到 2025 年，LiDAR 系統(tǒng)的平均價(jià)格可能會(huì)達(dá)到每個(gè) 700 美元左右，這對(duì)初創(chuàng)公司和客戶來說都是令人振奮的消息。

伴隨著更廣泛的可用性，出現(xiàn)了更多的應(yīng)用場(chǎng)景，LiDAR 不再只是關(guān)注通過火箭飛船或衛(wèi)星的測(cè)繪讀數(shù)。該技術(shù)現(xiàn)在離地面更近了，小型無人機(jī)已成為必不可少的地面勘測(cè)飛機(jī)，自動(dòng)駕駛汽車也在持續(xù)發(fā)展。

LiDAR 在汽車和工業(yè)應(yīng)用中的可能路線圖。圖片由 Yole Développement 提供

如今購(gòu)買一個(gè)臺(tái)總尺寸僅為幾英寸的 LiDAR 裝置是有可能且有必要的。LiDAR 不再是覆蓋整個(gè)車頂?shù)木薮蟆皥A盤”，與之對(duì)應(yīng)的，汽車制造商現(xiàn)在可以購(gòu)買適合汽車擋風(fēng)玻璃的裝置。

現(xiàn)代 LiDAR 也更加智能，每個(gè)單元現(xiàn)在能夠每秒內(nèi)捕獲超過 200 萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，精度為 5 毫米。即使是小型裝置也可以準(zhǔn)確地將脈沖發(fā)送到 1000 米之外，這對(duì)自主安全來說是一個(gè)福音。

物體識(shí)別也得到了改善，能耗也大幅下降。LED 和 VCSEL 二極管大大縮小了傳感器的外形尺寸，智能手機(jī)攝像頭外殼就可以容納它們。

脈沖調(diào)制和單光子雪崩二極管（SPAD）系統(tǒng)已經(jīng)興起，它們擅長(zhǎng)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體，同時(shí)具有抗串?dāng)_功能。

因此，今天的 LiDAR 系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到具有更少的延遲和更小的帶寬需求，與之匹配的軟件也一如既往地發(fā)揮著至關(guān)重要的作用——AI 算法成為確定環(huán)境對(duì)象動(dòng)態(tài)分析的基礎(chǔ)。

今天的 CMOS 支持的傳感器已經(jīng)開啟了實(shí)時(shí)處理，它們還可以使用 RGB 顏色在 1D、2D、3D 和 4D 中查看——在可預(yù)見的未來，汽車、物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)和林業(yè)等領(lǐng)域的公司將繼續(xù)依靠 LiDAR 來應(yīng)對(duì)更大的挑戰(zhàn)。雷鋒網(wǎng)

雷鋒網(wǎng)編譯自 Allaboutcircuits

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