激光雷達(dá)系統(tǒng)的七大組成部分

激光雷達(dá)系統(tǒng)由以下幾個(gè)主要組件組成。

一 激光

600-1000nm激光最常見(jiàn)于非科學(xué)應(yīng)用。激光的最大功率是有限的，或者使用自動(dòng)關(guān)閉系統(tǒng)在特定的高度關(guān)閉激光，以確保工作人員的安全。

1550 nm激光是一種常見(jiàn)的替代方法，在相對(duì)較高的功率水平下對(duì)人眼安全，因?yàn)樵摬ㄩL(zhǎng)不會(huì)被眼睛強(qiáng)烈吸收，但是檢測(cè)器技術(shù)的發(fā)展不太先進(jìn)，因此這些波長(zhǎng)通常以較低的精度在較長(zhǎng)的范圍內(nèi)使用。它們也用于軍事應(yīng)用，因?yàn)樵谝挂曠R中看不到1550 nm ，這與較短的1000 nm紅外激光不同。

機(jī)載地形測(cè)繪激光雷達(dá)通常使用1064nm二極管泵浦的YAG激光器，而測(cè)深（水下深度研究）系統(tǒng)通常使用532 nm倍頻二極管泵浦的YAG激光器，因?yàn)?32 nm穿透水的衰減比1064 nm 小得多。激光設(shè)置包括激光重復(fù)頻率（控制數(shù)據(jù)收集速度）。脈沖長(zhǎng)度通常是激光腔長(zhǎng)度、通過(guò)增益材料（YAG、YLF等）所需的通過(guò)次數(shù)以及Q開(kāi)關(guān)（脈沖）速度的一個(gè)屬性。如果激光雷達(dá)接收器檢測(cè)器和電子設(shè)備具有足夠的帶寬，則可以使用較短的脈沖獲得更好的目標(biāo)分辨率。

二 Flash激光雷達(dá)

Flash（閃光）激光雷達(dá)相機(jī)的焦平面具有像素行和列，這些像素具有足夠的“深度”和“強(qiáng)度”以創(chuàng)建3D景觀模型。每個(gè)像素記錄每個(gè)激光脈沖擊中目標(biāo)并返回到傳感器所需的時(shí)間，以及被激光脈沖接觸的物體的深度、位置和反射強(qiáng)度。閃光燈使用單一光源，該單一光源以單一脈沖照明視場(chǎng)，就像照相機(jī)拍的是距離，而不是顏色。

機(jī)載光源使Flash激光雷達(dá)成為一個(gè)主動(dòng)傳感器。通過(guò)嵌入式算法處理返回的信號(hào)，以生成傳感器視場(chǎng)內(nèi)物體和地形特征的近乎即時(shí)的3D渲染。激光脈沖重復(fù)頻率足以生成具有高分辨率和準(zhǔn)確性的3D視頻。傳感器的高幀速率使其成為各種應(yīng)用程序的有用工具，這些應(yīng)用程序受益于實(shí)時(shí)可視化，例如高精度的遠(yuǎn)程著陸操作。通過(guò)立即返回目標(biāo)景觀的3D高程網(wǎng)格，F(xiàn)lash傳感器可用于識(shí)別自主航天器著陸場(chǎng)景中中的最佳著陸區(qū)域。

三 相控陣 

相控陣可以通過(guò)使用單個(gè)天線的微觀陣列照亮任何方向。通過(guò)控制每個(gè)天線的定時(shí)（相位），可以將一個(gè)內(nèi)聚信號(hào)導(dǎo)向一個(gè)特定的方向。

自1950年代以來(lái)，相控陣已用于雷達(dá)，同樣的技術(shù)也可以用于光。大約一百萬(wàn)個(gè)光學(xué)天線用于在特定方向上觀察特定尺寸的輻射圖，該系統(tǒng)由精確閃光定時(shí)控制，單個(gè)芯片（或幾個(gè)）取代了價(jià)值75000美元的機(jī)電系統(tǒng)，從而大大降低了成本。

有幾家公司正在開(kāi)發(fā)商用固態(tài)激光雷達(dá)裝置，其中包括正在設(shè)計(jì)905 nm固態(tài)器件的Quanergy公司，盡管它們似乎在開(kāi)發(fā)中遇到一些問(wèn)題。

控制系統(tǒng)可以改變鏡頭的形狀以啟用放大/縮小功能，特定的分區(qū)可以以亞秒間隔為目標(biāo)。 　　機(jī)電激光雷達(dá)能持續(xù)1000至2000小時(shí)，相比之下，固態(tài)激光雷達(dá)可以運(yùn)行100000小時(shí)。

四 微機(jī)電設(shè)備 

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）并非全固態(tài)。然而，它們微小的外形提供了許多相同的成本優(yōu)勢(shì)。單個(gè)激光被指向單個(gè)反射鏡上，鏡子快速旋轉(zhuǎn)，該反射鏡可以重新定向以查看目標(biāo)場(chǎng)的任何部分。然而，MEMS系統(tǒng)通常在單個(gè)平面（從左到右）中工作。要添加第二個(gè)維度，通常需要上下移動(dòng)第二個(gè)鏡像或者，另一個(gè)激光可以從另一個(gè)角度擊中同一反射鏡。MEMS系統(tǒng)可能受到?jīng)_擊/振動(dòng)的干擾，可能需要重復(fù)校準(zhǔn)。我們的目標(biāo)是創(chuàng)造一個(gè)小型微芯片，以加強(qiáng)創(chuàng)新和進(jìn)一步的技術(shù)進(jìn)步。

五 掃描儀和光學(xué)元件

圖像顯影速度受其掃描速度的影響，掃描方位角和仰角的選項(xiàng)包括雙振蕩平面鏡、多角鏡和雙軸掃描儀的組合。光學(xué)選擇會(huì)影響角度分辨率和可以檢測(cè)到的范圍，可以選擇使用孔鏡或分束器來(lái)收集返回信號(hào)。

六 定位和導(dǎo)航系統(tǒng) 

安裝在飛機(jī)或衛(wèi)星等移動(dòng)平臺(tái)上的激光雷達(dá)傳感器需要儀器來(lái)確定傳感器的絕對(duì)位置和方向，這樣的設(shè)備通常包括全球定位系統(tǒng)接收器和慣性測(cè)量單元（IMU）。

七 傳感器 

激光雷達(dá)使用有源傳感器提供自己的光源，能源撞擊物體，反射的能量由傳感器檢測(cè)和測(cè)量。通過(guò)記錄發(fā)射脈沖和反向散射脈沖之間的時(shí)間并使用光速計(jì)算行進(jìn)距離，可以確定到物體的距離。因?yàn)橄鄼C(jī)能夠發(fā)射更大的閃光燈并利用返回的能量來(lái)感測(cè)感興趣區(qū)域的空間關(guān)系和尺寸，因此Flash激光雷達(dá)可以進(jìn)行3D成像。由于不需要將捕獲的幀縫合在一起，并且系統(tǒng)對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)不敏感，失真較小，因此可以實(shí)現(xiàn)更精確的成像。 　　使用掃描和非掃描系統(tǒng)均可實(shí)現(xiàn)3D成像?！?3D門(mén)控觀測(cè)激光雷達(dá)”是一種非掃描激光測(cè)距系統(tǒng)，可應(yīng)用脈沖激光和快速門(mén)控?cái)z像頭。目前，使用數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)進(jìn)行虛擬光束轉(zhuǎn)向的研究已經(jīng)開(kāi)始。 　　激光雷達(dá)成像也可以使用高速探測(cè)器陣列和調(diào)制敏感探測(cè)器陣列，通常使用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）和混合CMOS /電荷耦合器件（CCD）制造技術(shù)在單芯片上構(gòu)建。在這些設(shè)備中，每個(gè)像素執(zhí)行某些本地處理，例如高速解調(diào)或門(mén)控，將信號(hào)向下轉(zhuǎn)換為視頻速率，以便陣列可以像照相機(jī)一樣讀取。使用這項(xiàng)技術(shù)，可以同時(shí)獲得數(shù)千個(gè)像素/通道。高分辨率3-D激光雷達(dá)相機(jī)通過(guò)電子CCD或CMOS 快門(mén)使用零差檢測(cè)。