編者按：半個(gè)世紀(jì)光電情，披星戴月星辰明。中科院之聲與中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所聯(lián)合開(kāi)設(shè)“流光E彩”科普專(zhuān)欄，講述生活中的光電科普趣事，傳播最生動(dòng)的光電知識(shí)，展示最前沿的光電進(jìn)展。

隨著人工智能的發(fā)展，汽車(chē)自動(dòng)駕駛不再是想象中的場(chǎng)景，你知道汽車(chē)是如何看清周?chē)沫h(huán)境，實(shí)現(xiàn)自主駕駛嗎？這就不得不提到機(jī)器人的“眼睛”——三維成像激光雷達(dá)。

激光雷達(dá)顧名思義，就是一種借助激光對(duì)物體距離進(jìn)行測(cè)量的主動(dòng)探測(cè)遙感設(shè)備，與微波雷達(dá)類(lèi)似，人們最早是從蝙蝠身上找到的靈感。激光雷達(dá)與它們相比測(cè)距精度更高，并且可以看到物體更加細(xì)節(jié)的特征，因而在生活中有著非常廣泛的應(yīng)用。

蝙蝠和雷達(dá)（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

自動(dòng)駕駛汽車(chē)（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

上世紀(jì)六七十年代，發(fā)達(dá)國(guó)家就已經(jīng)開(kāi)始了激光雷達(dá)在三維成像領(lǐng)域的研究。如果把激光雷達(dá)對(duì)物體的成像比作盲人摸象，那么我們可以把“摸象”的過(guò)程分成兩步：首先是知道“象”的位置和距離，然后通過(guò)在“象”身上不斷摸索來(lái)確定“象”的樣子。而這也就對(duì)應(yīng)著三維成像激光雷達(dá)工作的兩大部分：

激光距離測(cè)量過(guò)程和激光三維成像過(guò)程。

激光雷達(dá)的測(cè)距方法有哪些呢？

就像大家所熟知的那樣，路程=速度×?xí)r間，激光雷達(dá)的測(cè)距過(guò)程也離不開(kāi)這個(gè)公式。在空間中，激光的飛行速度是已知的3×108 m/s?，F(xiàn)有的激光雷達(dá)測(cè)距方法有很多種，除了直接測(cè)量激光脈沖飛行時(shí)間的方式，還可以通過(guò)對(duì)發(fā)射激光信號(hào)的幅度、頻率等參數(shù)進(jìn)行調(diào)制來(lái)間接的獲取目標(biāo)的距離信息。

利用激光雷達(dá)進(jìn)行距離測(cè)量，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，我們要對(duì)癥下藥。

“激光測(cè)距里的千里眼”——脈沖激光測(cè)距法

脈沖激光具有峰值功率大的特點(diǎn)，這使它能夠在空間中傳播很長(zhǎng)的距離，所以脈沖激光測(cè)距法可以對(duì)很遠(yuǎn)的目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。很遠(yuǎn)是有多遠(yuǎn)呢？目前人類(lèi)歷史上最遠(yuǎn)的激光測(cè)量距離是地球和月亮之間的距離，他們采用的就是脈沖激光測(cè)距法。自2019年6月以來(lái)，我國(guó)天琴計(jì)劃團(tuán)隊(duì)已經(jīng)多次成功實(shí)現(xiàn)地月距離的測(cè)量，通過(guò)對(duì)脈沖飛行時(shí)間的精確計(jì)時(shí)，得到地月距離在351,000 km到406,000 km（橢圓軌道）之間波動(dòng)。

（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

脈沖激光測(cè)距是一種發(fā)展十分成熟的測(cè)距體制，不僅可以用來(lái)對(duì)遠(yuǎn)目標(biāo)探測(cè)，還可以用在數(shù)公里甚至數(shù)十米測(cè)量場(chǎng)景下。目前的汽車(chē)自動(dòng)駕駛中也大多采用這種方法，其測(cè)距精度可以達(dá)到厘米量級(jí)，這對(duì)大部分的應(yīng)用場(chǎng)景已經(jīng)足夠。

自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

“明察秋毫”的相位激光測(cè)距法

對(duì)那些對(duì)測(cè)距精度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景，如“空間交匯對(duì)接”中最后的接近段等，厘米級(jí)的測(cè)距精度已經(jīng)不能滿(mǎn)足它們的要求，這時(shí)候需要用相位激光測(cè)距的方法來(lái)測(cè)量。

空間交會(huì)對(duì)接（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

相位激光測(cè)距發(fā)射的是經(jīng)過(guò)了調(diào)制的連續(xù)激光信號(hào)，通過(guò)測(cè)量回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)之間的相位差來(lái)確定目標(biāo)的距離。與脈沖激光測(cè)距相比，相位式激光測(cè)距法有更高的測(cè)距精度，其測(cè)距精度可以達(dá)到毫米級(jí)。但是由于相位式測(cè)距發(fā)射的激光為連續(xù)波，這使得它的平均功率遠(yuǎn)低于脈沖激光的峰值功率，因而無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離目標(biāo)的探測(cè)。我們生活中常用的手持式激光測(cè)距儀大多都是采用相位激光測(cè)距的方法。

相位式激光測(cè)距儀（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

“追著你測(cè)”的調(diào)頻連續(xù)波激光測(cè)距法

如果目標(biāo)是運(yùn)動(dòng)的，除了距離，我們還想知道目標(biāo)的速度時(shí)，該怎么辦呢？隨著航天技術(shù)的發(fā)展，保證航天器能夠安全的軟著陸成為一個(gè)重要的問(wèn)題。單次脈沖激光測(cè)距和相位測(cè)距法只能獲得目標(biāo)的距離信息，若要獲得其速度至少需要兩次測(cè)量結(jié)果并結(jié)合兩次測(cè)量的時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算。而這樣計(jì)算出來(lái)的平均速度的精度遠(yuǎn)低于激光多普勒測(cè)速雷達(dá)的測(cè)速精度。

調(diào)頻連續(xù)波激光測(cè)距方法可以解決這個(gè)問(wèn)題，它不僅可以測(cè)距，還可以測(cè)速，因此可以應(yīng)用于相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較高的目標(biāo)測(cè)距。美國(guó)國(guó)家航天局NASA于2006年提出的用于重返月球和探測(cè)火星的自主著陸和障礙規(guī)避計(jì)劃（ALHAT計(jì)劃）正是采用了這種測(cè)距方法，該雷達(dá)于2008年和2010年進(jìn)行了飛行試驗(yàn)，取得了不錯(cuò)的效果。

ALHAT計(jì)劃（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

激光雷達(dá)是如何成像的？

“盲人摸象”走完第一步，我們已經(jīng)成功的找到了“大象”的位置和距離，下一步我們?cè)撊绾沃馈按笙蟆钡臉幼幽?？這就是激光雷達(dá)的成像過(guò)程要解決的問(wèn)題。簡(jiǎn)單的理解，激光雷達(dá)三維成像其實(shí)就是在測(cè)出目標(biāo)各點(diǎn)距離的基礎(chǔ)上，同時(shí)獲得每個(gè)點(diǎn)與雷達(dá)之間的水平角和俯仰角，這樣我們就得到目標(biāo)三維信息了。按照目標(biāo)各點(diǎn)三維信息的獲取方式，激光成像體制主要有掃描式激光成像和面陣式激光成像。

“讓激光動(dòng)起來(lái)”的掃描三維成像

掃描式激光成像方法目前已經(jīng)相當(dāng)成熟，在地形測(cè)量、工程建設(shè)，汽車(chē)導(dǎo)航領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。它由單點(diǎn)激光測(cè)距配合快速光束掃描器件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)上各點(diǎn)距離信息的獲取，再將這些距離信息與該點(diǎn)對(duì)應(yīng)光束指向的方位角和俯仰角結(jié)合得到目標(biāo)的距離-角度-角度圖像(Rang-Angle-Angle)，又稱(chēng)為三維圖像。

掃描式激光三維成像

美國(guó)國(guó)家航天局NASA為測(cè)量冰蓋質(zhì)量平衡、冰蓋高度和海冰厚度以及陸地地形和植被特征等研制了ICESat星載激光雷達(dá)成像系統(tǒng)。ICESat于2003年1月13日發(fā)射成功，它在激光測(cè)距的基礎(chǔ)上，利用衛(wèi)星平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地表的單點(diǎn)掃描成像。在軌工作7年后，ICESat于2010年完成了對(duì)地球表面絕大部分地區(qū)的激光測(cè)繪工作。

ICESat激光單點(diǎn)掃描成像（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

掃描三維成像也被廣泛的用在汽車(chē)自動(dòng)駕駛里。為了提高掃描的速率，市面上的車(chē)載激光雷達(dá)往往采用發(fā)射激光陣列的形式進(jìn)行掃描成像，這也被稱(chēng)為多線(xiàn)束成像。其中Velodyne公司以360°旋轉(zhuǎn)的多線(xiàn)束激光雷達(dá)為主要產(chǎn)品，掃描線(xiàn)數(shù)達(dá)到了16線(xiàn)、32線(xiàn)及64線(xiàn)，是機(jī)械旋轉(zhuǎn)加多線(xiàn)掃描成像的典型代表，技術(shù)較為成熟。

Velodyne多線(xiàn)掃描成像激光雷達(dá)（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

“一眼就能看穿你”的面陣三維成像

除了這種掃描遍歷目標(biāo)的成像方式，有沒(méi)有其他更加便捷，“啪”的一下就能得到目標(biāo)三維信息的成像方式呢？

有！

面陣式激光成像就是為此產(chǎn)生的一種快速成像方式。相比于掃描式激光成像需要逐點(diǎn)掃描測(cè)距的方式，面陣式激光成像它僅需發(fā)射一次激光脈沖即可以得到一整幅三維圖像。如果把掃描成像的方式比作用手指摸索目標(biāo)全貌，那么面陣成像就像是用巨大的手掌直接覆蓋目標(biāo)。同時(shí)，因?yàn)闆](méi)有掃描結(jié)構(gòu)，所以面陣式系統(tǒng)整機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊，體積更小。按照探測(cè)器的不同，面陣三維成像大致可以分為APD陣列和CCD相機(jī)兩種探測(cè)方式。

APD陣列的每個(gè)像元都是一個(gè)單點(diǎn)激光測(cè)距的單元，能夠直接給出與其對(duì)應(yīng)的距離信息。上世紀(jì)90年代后期，美國(guó)麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室（MIT/LL）用蓋格模式下的雪崩光電二極管焦平面陣列（GM-APD FPAs）作為面陣三維成像激光雷達(dá)的探測(cè)器,其陣列的規(guī)模日益增大，從4×4、8×8到128×32乃至256×256。2003年MIT/LL對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行了機(jī)載三維成像試驗(yàn)和機(jī)載植被穿透實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明采用焦平面探測(cè)器的面陣式三維成像激光雷達(dá)可以快速獲取目標(biāo)三維圖像，有效地識(shí)別林中隱蔽的坦克。

基于A(yíng)PD陣列的三維成像激光雷達(dá)對(duì)密林中隱蔽坦克進(jìn)行探測(cè)（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

2018年，中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所提出了基于偏振調(diào)制的激光三維成像方法，利用EMCCD相機(jī)作為探測(cè)器，提高了系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度。同時(shí)，利用偏振調(diào)制技術(shù)從EMCCD拍攝圖像的灰度信息得到脈沖飛行的時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)距離的測(cè)量。該系統(tǒng)僅需發(fā)射一次脈沖即可獲得一幅三維圖像，因而可以用于高速運(yùn)動(dòng)平臺(tái)或高動(dòng)態(tài)目標(biāo)的三維成像。

中科院光電所研制的偏振三維成像

面陣三維成像雖然成像速度快，不需要掃描結(jié)構(gòu)，但是它將系統(tǒng)接收的回波功率平均分布到每個(gè)探測(cè)像元上，探測(cè)像元越多，分散到每個(gè)像元上的回波功率就越低，因此面陣成像系統(tǒng)的測(cè)距范圍遠(yuǎn)小于單點(diǎn)掃描測(cè)距系統(tǒng)，一般僅適用于較近距離的成像探測(cè)。

激光雷達(dá)三維成像系統(tǒng)與傳統(tǒng)的被動(dòng)相機(jī)相比不僅可以獲得目標(biāo)的強(qiáng)度信息還有更加豐富的距離信息；與微波雷達(dá)成像系統(tǒng)相比又具有全天時(shí)、測(cè)量精度高和分辨率高的特點(diǎn)，因而在現(xiàn)代成像領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。隨著現(xiàn)代科技和社會(huì)的發(fā)展，相信三維成像激光雷達(dá)在未來(lái)會(huì)有更大的應(yīng)用前景！