最近兩年，LiDAR 技術(shù)似乎無處不在，無論是在汽車、手機(jī)甚至掃地機(jī)上，我們都看到了他們的身影。然而，并非總是如此。LiDAR 經(jīng)歷了 50 年的漫長旅程，才成為今天最新的“熱門”技術(shù)。
在過去半個多世紀(jì)以來，光探測和測距 （LiDAR） 已在多個行業(yè)和技術(shù)應(yīng)用中嶄露頭角。
LiDAR、視覺和雷達(dá)的比較。
該技術(shù)雖然適用于獨(dú)特的用途，甚至被譽(yù)為雷達(dá)的繼承者。激光雷達(dá)的技術(shù)最近一直在穩(wěn)步發(fā)展，從龐大笨重到更加流線型，但它的歷史悠久，但它是如何成為自動駕駛的主要技術(shù)的呢？
激光雷達(dá)的地質(zhì)首秀
在二戰(zhàn)后的幾十年里，美國地質(zhì)調(diào)查局 （ USGS ） 專注于自動化測量過程。新技術(shù)遇到了航空攝影，很快激光技術(shù)就開啟了大規(guī)模測繪背后的另一個效率水平。
激光雷達(dá)的出現(xiàn)，為快速地形成像打開了大門，在 70 年代更加成熟。遠(yuǎn)程、基于激光的傳感技術(shù)使飛機(jī)能夠繪制海洋、冰蓋和森林的地圖。
在阿波羅任務(wù)期間，激光掃描對于生成月球表面的 3D 圖像也很關(guān)鍵。
LiDAR 系統(tǒng)在阿波羅任務(wù)中飛行
據(jù)美國宇航局稱，阿波羅 15 至 17 號采用了一種依賴于“閃光燈泵浦紅寶石激光器”（flashlamp-pumped ruby laser,）的 LiDAR 。這種方法具有每分鐘 3.75 次的低脈沖頻率，并依靠機(jī)械部件來發(fā)揮作用。該項(xiàng)目被稱為激光高度計(jì)實(shí)驗(yàn)。
令人驚訝的是，LiDAR 首字母縮寫詞最初是作為“光”和“雷達(dá)”的混合體而存在的。概念和名稱最終演變成現(xiàn)在的形式。它也被稱為激光成像檢測和測距。
LiDAR 的第一個十年主要是試圖找到立足點(diǎn)，但到了 80 年代，LiDAR 開始全面成型。
下一代激光雷達(dá)的出現(xiàn)
80 年代是 LiDAR 技術(shù)向前邁出的關(guān)鍵時刻，這主要是因?yàn)楣虘B(tài)技術(shù)的出現(xiàn)，同時，電機(jī)和齒輪也讓位于片上系統(tǒng) （SoC）。這種現(xiàn)代、緊湊的封裝可以控制其激光系統(tǒng)來掃描場景。自然地，半導(dǎo)體的出現(xiàn)幫助這些 LiDAR 系統(tǒng)縮小了尺寸。
緊湊性的提高與二極管系統(tǒng)的到來有關(guān)。可靠性的提高意味著 NASA 的 LiDAR 裝置可以連續(xù)運(yùn)行多年。
該技術(shù)在以下追求中發(fā)揮了重要作用：
繪制火星的形狀和表面，進(jìn)行了超過 6 億次測量，
地球地形和大氣掃描的初步擴(kuò)展，包括近 20 億次激光測量，以及
測量各種小行星的形狀
就二極管激光雷達(dá)而言，它的效率明顯更高，壽命更長，產(chǎn)生的激光密度更大，分辨率更高。例如，南極洲和格陵蘭島的測量高度分辨率只有幾個 em。
第一個利用這種方法的太空 LiDAR 使用摻釹釔鋁石榴石 （ Nd:YAG ） 激光器，并被稱為 火星軌道器激光高度計(jì)（MOLA）。
NASA 的 MOLA 示意圖
YAG 激光器以其功率和由此產(chǎn)生的穿透深度而聞名，可以相對輕松地清除 LiDAR 源和感興趣目標(biāo)之間的障礙物。
在此期間出現(xiàn)的另一項(xiàng)技術(shù)是dye激光。脈沖dye激光雷達(dá)在更寬的波長下工作，產(chǎn)生的脈沖短至十飛秒（或十億分之一秒）。
在 80 年代之前，LiDAR 的日益普及受到嚴(yán)重阻礙。商業(yè)化仍然很昂貴，而且 GPS 短缺減緩了空中系統(tǒng)的推出。然而，一旦生產(chǎn)商克服了這一障礙，LiDAR 就被廣泛用于收集地理數(shù)據(jù)和進(jìn)行大氣研究。增加的脈沖頻率和更短的激光波長使測量空氣中的顆粒變得更加容易。
每過十年，LiDAR 技術(shù)就會取得越來越多的進(jìn)步，那么 90 年代是什么？
激光雷達(dá)在商業(yè)上可行
快進(jìn)到 90 年代，LiDAR 開始受到商業(yè)買家的青睞。這些激光系統(tǒng)比競爭對手更受歡迎。由于政府機(jī)構(gòu)不再壟斷該技術(shù)，即使他們的資金和利用為廣泛采用鋪平了道路。
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)可以在測繪時輕松捕獲 3D 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。從表面分析的角度來看，這些數(shù)據(jù)非常有價值。雖然其他映射方法是推論性的，有時會進(jìn)行有根據(jù)的猜測來生成地圖，但 LiDAR 測量是直接的。所進(jìn)行的掃描更加可靠和快速，導(dǎo)致傳感器驅(qū)動的映射成為減少失真的同義詞。
此外，這些產(chǎn)品的價格在整個十年中穩(wěn)步下降。這就讓你覺得LiDAR 變得更加平民化（但仍然讓許多人難以企及的）。
隨著固態(tài)變體的成熟，該技術(shù)也向前邁進(jìn)了一步。雖然dye激光器以前以其脈沖速度而聞名技術(shù)，但較新的基于 SoC 的激光器可以產(chǎn)生低至 5 飛秒的脈沖。在一飛秒內(nèi)，光只有足夠的時間傳播約 300 納米。這個距離比有記錄的最小細(xì)菌稍大。這些激光波長范圍從紫外線到紅外線。
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、需要熟練操作人員的指導(dǎo)。如果這項(xiàng)技術(shù)越來越受歡迎，就需要做出改變。
盡管面臨這些挑戰(zhàn)，LiDAR 仍然有很多希望。在 LiDAR 的大部分歷史中，它主要用于空中監(jiān)視，那么它是如何轉(zhuǎn)移到今天主要為人所知的車輛上的呢？
當(dāng)今的激光雷達(dá)
盡管這是一段漫長的 50 年旅程，但 LiDAR 已經(jīng)走過了漫長的道路。雖然一些 LiDAR 系統(tǒng)的成本可能高達(dá) 75,000 美元，但最近成本迅速下降。現(xiàn)在可以通過 Luminar 等公司以 500 美元的價格購買商用級 LiDAR 設(shè)備。此外，據(jù)預(yù)測，到 2025 年，激光雷達(dá)系統(tǒng)的平均價格可能會達(dá)到每個大約 700 美元。這對初創(chuàng)公司和客戶來說都是令人難以置信的消息。
隨著更廣泛的可用性出現(xiàn)了一個新的應(yīng)用，LiDAR 不再僅僅關(guān)注通過火箭飛船或衛(wèi)星的讀數(shù)。該技術(shù)現(xiàn)在離家更近了，因?yàn)榫o湊型無人機(jī)已成為必不可少的地面測量飛機(jī)，而自動駕駛汽車也在發(fā)展。
LiDAR 在汽車和工業(yè)應(yīng)用中的可能路線圖
現(xiàn)在有可能（并且有必要）購買一個總尺寸只有幾英寸的 LiDAR 設(shè)備。
LiDAR 不再被歸為跨越整個車頂?shù)木薮蟆氨颉薄Ｏ喾矗囍圃焐态F(xiàn)在可以購買適合汽車擋風(fēng)玻璃的裝置。
現(xiàn)代 LiDAR 也更加智能，每個單元現(xiàn)在能夠以 5 毫米的精度每秒捕獲超過 200 萬個數(shù)據(jù)點(diǎn)。即使是緊湊型裝置也可以準(zhǔn)確地將脈沖發(fā)送到 1,000 米外，這對自主安全來說是一個福音。
物體識別也變得更好，能耗也得到了大幅削減。LED 和 VCSEL 二極管的傳感器外形尺寸顯著縮小，智能手機(jī)相機(jī)外殼可以容納它們。
脈沖調(diào)制和單光子雪崩二極管（SPAD）系統(tǒng)興起，擅長檢測移動物體。它們還具有抗串?dāng)_功能。
因此，今天的 LiDAR 系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到擁有更少的延遲和更小的帶寬要求。該軟件也一如既往地發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。AI 算法是確定對環(huán)境對象進(jìn)行實(shí)時分析的基礎(chǔ)。
今天的 CMOS 支持的傳感器已經(jīng)解鎖了實(shí)時處理。他們還可以看到具有 RGB 顏色的 1D、2D、3D 和 4D。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)依靠激光雷達(dá)來應(yīng)對最大的挑戰(zhàn)。
