不知道你要去哪里...不知道怎么去那里?然后你需要一張地圖。但是，如果沒有地圖怎么辦?嗯....好吧，那么 如果你的大腦的一部分可以沖到你前面，快速勾勒出一個 地圖，并將其反饋到大腦的其他部分，以幫助您找到您的 道路?這聽起來完全是瘋狂的，但這正是自動駕駛的方式。 汽車工作 - 使用一種簡潔的3D地圖制作技術(shù)，稱為 激光 雷達 (其中 代表 LIght 檢測和測距)。顧名思義，激光雷達 工作有點像 雷達 (船舶使用的無線電波導航 和飛機)和 聲納 (水下探測利用聲音，主要采用 由 潛艇)，盡管它具有完全不同的應(yīng)用程序，但從 工廠車間機器人和無人駕駛出租車到海岸測繪和 測量森林砍伐。它究竟是如何工作的?讓我們來一個 仔細看!

　　插圖：導航激光雷達的基本思想：自動駕駛汽車(藍色)通過將旋轉(zhuǎn)的激光束(橙色線)從障礙物上反彈并檢測其反射(綠線)來“看到”。光束返回所需的時間告訴我們每個障礙物離汽車有多遠。通過這種方式，激光雷達創(chuàng)建汽車周圍動態(tài)環(huán)境的3D地圖比汽車本身行駛的速度快得多。

　　為什么選擇激光雷達?

　　環(huán)顧四周。您看到的是即時的3D彩色地圖 您的大腦構(gòu)建的環(huán)境(主要是實時的)使用 光線被你的眼睛浸透了。如果你是一個 機器人 與一對夫婦 之 數(shù)碼相機 卡在你的頭上，你可以給自己建一張地圖 一個房間的方式大致相同，但它不會像 信息豐富且有用。你不一定知道一個對象 比另一個更近，或者中間有一個不斷增長的黑色斑點 房間里有一只貓爬向你。作為一個人，你知道這些 事情是因為你的大腦使用 一生的經(jīng)驗，了解不斷增長的黑色斑點的實際含義。 但機器人沒有百科全書式的生活經(jīng)驗可以畫 開，這意味著他們在 “看”世界。

　　這就是為什么自主機器人(控制自己的機器人)和 自動駕駛汽車通常更喜歡以不同的方式看待世界， 使用激光雷達系統(tǒng)代替攝像頭。其中基于攝像頭的眼睛 拍攝必須處理的場景的即時 2D 照片，并且 解釋找出它在看什么，激光雷達制造了數(shù)百萬 測量所有方向的深度信息 同時 — 而且轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)通常更快、更容易 進入可用于實時導航的地圖。

　　照片：別看眼睛!沙塵暴，2005年的自動駕駛汽車 DARPA大挑戰(zhàn)賽，使用不同的傳感器 “看到”它的去向，包括短程和遠程 激光 雷達。遠程激光雷達掃描儀是屋頂頂部的圓形白色物體; 它可以“看到”150米(450英尺)的距離;短程激光雷達單元安裝在靠近散熱器的汽車前部 和擋風玻璃區(qū)域的左側(cè)。照片由 丹·霍里克 發(fā)表于 Flickr 在 知識共享許可.

　　什么是激光雷達?

　　看看工廠車間的機器人或自動駕駛汽車。什么是 那個奇怪的，旋轉(zhuǎn)的罐頭像頭盔一樣坐在上面?那是 激光雷達：它在旋轉(zhuǎn)，發(fā)射不可見 激光 所有光束 方向，捕捉反射，并測量多長時間 光束返回，以便它可以找出附近的障礙物 以及他們有多遠。所以激光雷達的基本概念正是 與雷達和聲納相同。使用雷達，您可能有一個 噴氣式飛機 發(fā)射出一束編碼 收音機 波浪和傾聽回報 光束從附近的物體反射(另一架飛機即將墜毀 進入你);它使用光束返回圖形所花費的時間 物體有多遠。使用聲納，您可以做同樣的事情 在水下，只使用聲波(因為普通的光和無線電 波浪不會在水中傳播很遠)。在日常生活中，在陸地上 情況 - 在街上開車或?qū)Ш酱┻^ 建筑——反射的激光被證明是更好的光源 信息比無線電波或聲音，這就是為什么激光雷達 變得如此流行：它簡單、可靠且相對 低成本，如果對于業(yè)余或業(yè)余愛好者來說仍然非常昂貴 (目前，我們談?wù)摰氖菙?shù)千美元)。

　　因此，您可以使用激光雷達數(shù)據(jù)構(gòu)建街道的實時地圖 自動駕駛汽車試圖導航或工廠通過它 機器人必須蹣跚而行，但你也可以用其他方式。 早在自動駕駛汽車成為如此熱門的話題之前，地理學家就 大氣科學家正在以更“被動”的方式使用激光雷達 方式，繪制地球或大氣的詳細航空地圖。 (氣候科學家早在很久以前就提出用激光雷達研究天氣 作為 1960 年代中期。對于這些類型的應(yīng)用程序，而不是使用 旋轉(zhuǎn)的激光雷達，您將激光雷達單元安裝在飛機下方或 直升機，并在飛機飛行時掃描地面 跨越精確的軌跡。雖然可見光沒有多大用處 在水下掃描，可以使用藍綠色激光 對海底進行激光雷達掃描， 例如。

　　Artwork: LIDAR is now probably best known for its use in robots and self-driving cars, but it has many other applications. High spectral resolution LIDAR (HSRL), often operated from scanning airplanes like this, is used to study Earth's atmosphere and oceans. It works by sending out LIDAR signals, then examining the spectrum of the radiation that's "backscattered" (which means roughly rather than exactly reflected) by molecules and aerosols in the atmosphere.

　　What kind of data do you get from it?

　　激光雷達數(shù)據(jù)可以單獨使用，也可以與收集的數(shù)據(jù)結(jié)合使用 其他方式。在航空地圖的情況下，激光雷達系統(tǒng)通常 也使用 全球定位系統(tǒng)(衛(wèi)星導航);在自動駕駛汽車中，激光雷達 傾向于與GPS，板載傳感器(如 加速度 計 或 車速表)、慣性制導系統(tǒng)和陀螺羅盤，以及 來自存儲地圖的導航數(shù)據(jù)(想想谷歌街景)。你最終得到的是 稱為“點云”：激光雷達的三維陣列 與特定 GPS 坐標相關(guān)的測量。為了搬家 傳感器，就像自動駕駛汽車上的傳感器一樣，你最終會得到數(shù)百萬個傳感器。 所有數(shù)據(jù)點距離您最遠 60 米(200 英尺) 方向，精確到幾厘米。

　　照片：繪制月球地圖。美國宇航局工程師和宇航員在摩西湖沙丘上測試K10月球車掃描裝置。漫游車擁有探地雷達和激光雷達掃描儀，可以制作月球地形的3D地圖，包括地面和地下。照片由 美國宇航局在下議院.

　　激光雷達系統(tǒng)由什么組成?

　　要制作激光雷達地圖，您需要一個 激光 和一些東西 它的反射光;移動激光束并使其的東西 掃描您周圍的一切;通常還有一個 GPS 接收器，因此您可以 弄清楚你在哪里，你的激光雷達數(shù)據(jù)在世界的哪一部分 適用于。

　　照片：激光雷達掃描需要什么?像這輛卡車這樣的東西，由 研究人員在 美國農(nóng)業(yè)部 從屋頂上的掃描儀向空中發(fā)射綠色激光雷達光束。激光雷達廣泛用于繪制世界地圖和研究其大氣層。美國農(nóng)業(yè)部的研究人員已經(jīng)使用它20年來研究農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)如何影響大氣 - 從種植樹木的吸水到集約化動物養(yǎng)殖造成的空氣污染。照片由Peggy Greb提供 美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究服務(wù).

　　任何舊激光器都可以嗎?那些大的，嗡嗡作響的激光器之一，如 金手指想用把詹姆斯邦德切成兩半?不!通常 我們談?wù)摰氖且粋€ 半導體二極管激光器，更像那些 你會發(fā)現(xiàn)在一個 激光打印機 或 CD播放器 只有更強大。 而不是發(fā)射可見光(波長約為 400-700納米)，自動駕駛汽車將使用帶有 無形 近紅外 激光(約900-1100納米)。 水下激光雷達掃描儀使用綠色激光，時間更短 可見光中間的波長(約530納米) 范圍。當你開始時，人們的眼睛顯然有一些危險 到處發(fā)射紅外激光束 - 而且危險更大 汽車在街上疾馳，而不是飛機掃描遠處 從天而降的熱帶雨林。一般來說，激光雷達越遠 激光需要安全穿透，波長越高 使用—因為波長較長的光具有較短的頻率和 降低能量。最新的自動駕駛汽車激光器正在使用激光 波長為1550納米，可掃描前方200米， 相比之下，高功率激光器的工作距離僅為 30-40 米 905納米。

　　激光雷達系統(tǒng)中的光電探測器是一種 光電電池 由硅或砷化鎵制成，設(shè)計最大 對激光使用的任何光波長的靈敏度。 根據(jù)范圍使用不同類型的探測器 激光雷達系統(tǒng)正在其上運行。短程激光雷達系統(tǒng) 通常使用簡單的硅光電二極管。遠程系統(tǒng)使用什么 被稱為雪崩光電二極管(APD)。 這些工作有點像 蓋革計數(shù)器 輻射探測器，轉(zhuǎn)動單個 將光的入射光子帶入可測量的電子雪崩 (可以測量的電流)，因此可以檢測到低得多的光水平。 許多APD可以內(nèi)置到單個芯片中，以創(chuàng)建一種稱為 多像素光子計數(shù)器(MPPC)。

　　高速旋轉(zhuǎn)激光器聽起來有點像工程 噩夢——所有那些糾結(jié)的電線和振動的金屬外殼——但是， 幸運的是，我們可以不這樣做。我們所要做的就是 激光雷達系統(tǒng)正在掃描 梁，而不是激光本身，并且對于 我們可以使用快速旋轉(zhuǎn) 鏡子.現(xiàn)代激光雷達系統(tǒng) 使用基于MEMS(微機電系統(tǒng))技術(shù)的微觀移動鏡，安裝在微芯片上和 類似于您在 數(shù)字投影儀;其他用途更大 鏡子大約是硬幣的大小。

　　動畫：1)理論上，激光雷達激光器是通過從固定鏡(頂部)和快速旋轉(zhuǎn)的鏡(底部)發(fā)射來掃描的。

　　藝術(shù)品：2)在實踐中，它并不那么笨重，現(xiàn)代激光雷達傾向于使用基于MEMS技術(shù)的非常小的顯微鏡。每個微小的鏡段(粉紅色)在鉸鏈(綠色)上傾斜，被下面的帶電板(藍色)吸引。藝術(shù)品來自 美國專利4，710，732：空間光調(diào)制器及其方法 作者：Larry Hornbeck，德州儀器，1987年，由美國專利商標局提供。

　　激光雷達的用途是什么?

　　雖然機器人和自動駕駛汽車是激光雷達的種類 您可能會在技術(shù)媒體上讀到的應(yīng)用程序， 迄今為止最常見的應(yīng)用是地理和大氣 映射。像USGS(美國地質(zhì)調(diào)查局)，NOAA(國家)這樣的人 海洋和大氣管理局)和美國宇航局 數(shù)十年來，使用激光雷達制作地球和太空地圖。氣候 科學家用它來探測大氣的成分和 研究云、氣溶膠和 全球變暖; 海洋學家用它來 追蹤海岸侵蝕;植物學家是 現(xiàn)在使用激光雷達在飛機上飛行以測量 地球森林模式不斷變化。 激光雷達已用于從 監(jiān)測蜘蛛種群 和 研究受威脅的蝴蝶 自 橡樹建模 和 監(jiān)測暴風雨后的海灘損壞情況. 它甚至已經(jīng)習慣了 揭示失落已久的文明的痕跡 埋在森林下。

　　照片：自導原型飛行器SeaHunter使用。 激光雷達導航。攝影：Grant P. Ammon，圖片由 美國海軍.

　　我們還可以使用激光雷達來研究 大氣層。不同的氣體吸收不同波長的光 不同的量，因此我們可以研究特定位置的氣體 通過從中發(fā)射兩束不同波長的激光束來遠程 一架飛機或一架直升機，并比較每個波長的多少 吸收或反射。這個系統(tǒng)，稱為差分 吸收式激光雷達(DIAL)，可用于從檢測到檢測的一切 從天然氣管道到測量的泄漏 空氣污染.

　　激光雷達最常見的用途之一是在警用測速槍中。 雖然我們通常認為它們是雷達槍(和靜態(tài)高速公路) 測速攝像頭，如Gatsos，確實使用雷達)，手持槍更有可能 使用905納米激光雷達激光器，價格便宜，安全且非常 有效。

　　激光雷達簡史

　　1930 年代：在激光發(fā)明前三十年，科學家們嘗試測量激光的成分 使用掃掠探照燈光束的氣氛。

　　1958年：Charles Townes和Arthur Schawlow發(fā)明了激射器( 原裝， 微波爐 激光);他們的學生戈登·古爾德(Gordon Gould)也使 重要貢獻。

　　1960年：西奧多·邁曼(Theodore Maiman)建造并演示了第一臺 實用激光。

　　1962年：麻省理工學院的科學家測量了地球與地球之間的距離 使用反射激光束的月球。

　　1965年：斯坦福研究所的羅納德·柯林斯(Ronald Collins)提交了一份 專利 對于一個 激光雷達激光雷達系統(tǒng)，可用于研究地球大氣和天氣。

　　1969年：丹尼爾·希克曼和約翰·霍格發(fā)表了一篇 有影響力的科學論文 描述 如何使用機載激光器測量海洋深度。

　　1971年：阿波羅15號宇航員使用激光雷達繪制地圖表面 月亮。

　　1973年：美國宇航局瓦勒普斯島飛行中心舉辦 [PDF] 研討會 關(guān)于使用激光雷達監(jiān)測海洋和海岸線。

　　1974: 艾倫·卡斯韋爾博士 多倫多約克大學發(fā)明激光 測距儀和他的學生塞巴斯蒂安·西茲戈里奇(Sebastian Sizgoric)成立了一家名為Optech的公司來銷售它。在 未來幾年，Optech完善了遠程掃描激光器的想法 來制作地圖。

　　1975年：Avco Everett研究實驗室建立了一個 機載海洋激光雷達 (AOL) 對于美國宇航局，使用道格拉斯C-54天空大師飛機。

　　1976年：第一本關(guān)于激光雷達的教科書出版。

　　1978–: 加里·岡瑟 NOAA(后來與Optech合作)發(fā)表了一系列有影響力的技術(shù)報告和論文，描述了使用機載激光雷達進行海岸測繪和測量， 包括1985年開創(chuàng)性的“藍色”書 機載激光水文學—系統(tǒng)設(shè)計和性能因素.

　　1985年：Optech開始銷售一款名為Larsen-500的產(chǎn)品。 首批商用激光雷達系統(tǒng)。

　　1990年代：激光雷達廣泛用于地理測繪。

　　1994年：美國宇航局在發(fā)現(xiàn)號航天飛機上將激光雷達送入太空。 LITE(激光雷達太空技術(shù)實驗) 是第一次激光雷達 被用來從太空研究大氣層。

　　2005 年：激光雷達系統(tǒng)成為頭條新聞，成為背后的眼睛 美國軍方DARPA大挑戰(zhàn)中的自動駕駛汽車。

　　2008年：美國宇航局的鳳凰號著陸器將Optech LIDAR掃描儀用于 火星研究行星的大氣層。

　　2015年：DARPA宣布它已經(jīng)創(chuàng)建了Sweeper，一個微型 單芯片上的激光雷達系統(tǒng)(“掃車”代表短程 寬視野 極其敏捷 電子轉(zhuǎn)向 光子 發(fā)射)。

　　2017年：英格蘭和威爾士環(huán)境署 宣布 它將激光雷達掃描整個英格蘭并公開數(shù)據(jù)。

　　2020: 蘋果包括激光雷達 在其最新的iPad中，以改善周圍環(huán)境的3D建模 用于增強現(xiàn)實應(yīng)用。