从农业到航空：激光雷达3D感测在汽车以外领域的应用

2021年 10月 19日

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作者:

Anne Corning

在过去的十年里，激光雷达（光探测和测距）技术在汽车领域的应用已变得很常见。这项用途广泛的技术最早在20世纪60年代开发出来，并被阿波罗号宇宙飞船宇航员用于测绘月球表面，如今正在得到广泛应用。当走在任何现代化城市的街道上时，您甚至可能每隔几米远就会发现激光雷达设备。

激光雷达是如何工作的？

激光雷达（光探测和测距）是一种使用脉冲激光测量距离的传感技术。当前最先进的激光雷达系统通常使用905纳米（nm）或1550nm的光脉冲，该波长在电磁波谱的近红外范围内，这是人眼不可见的光线。

虽然905nm和1550nm波长提供相同的距离感测能力（理想条件下为数百米），但1550nm波长的光脉冲可能会受到湿气（水体，甚至包括雨水）的影响，信号强度将会显著降低。因此，许多汽车制造商及其他用户现在专注于将905nm波长的光脉冲用于环境中可能存在湿气的激光雷达感测应用¹。此外，产生905nm波长所需的能量也更少，就汽车运行的电池/动力需求而言，这是一个重要的考虑因素。

电磁波谱，包括可见光（380 nm – 750 nm）和近红外光，其中包含常见的激光雷达频率905nm和1550nm。（图片来源： AZO Optics)）

激光雷达系统测量近红外光脉冲反射从物体或景观反射回来所需的时间（称为“飞行时间”，简称TOF）。“返回传感器的波形可以通过两种方式记录。离散返回主要记录波形中的各个峰值点。该系统可以记录来自每个激光脉冲的一到四次返回。完整波形则更为复杂，将采集更多信息。”²然后，系统算法使用所有飞行时间（TOF）数据创建物体或环境非常准确的3D绘图。

激光雷达系统测量传感器接收反射的近红外光脉冲所需的时间（TOF），然后使用此数据计算距离，并构建物体或环境的3D绘图。

激光雷达的应用

激光雷达技术在汽车行业的应用已经非常显著，预计到2027年将以超过30%的复合年增长率持续增长³。汽车制造商们将激光雷达传感器用于各种高级驾驶辅助系统（ADAS）以及各种自动级别的自动驾驶汽车。

激光雷达在汽车行业以外的应用也在持续增长。虽然汽车应用（包括自动驾驶汽车和高级驾驶辅助系统(ADAS)）仍将主导激光雷达市场（预计到2027年市场规模将达到70亿美元4），但测绘、气象等非汽车应用也都呈现出增长趋势。从农场到智慧城市，从太空到海底，激光雷达技术目前已拥有大量的用例，包括：

智慧城市– 激光雷达可用于交通监控，帮助城市管理者更好地了解交通量和交通模式，从而协调交通信号，以减少交通拥堵。同样，法国政府一直在实施用于高速公路车速监控和执法的3D激光雷达系统。此外，激光雷达还可以跟踪行人交通模式，帮助实现更佳的城市交通规划。执法机构和私人业主也发现激光雷达可用于安全监控领域。

韩国首尔市使用Quanergy & iCent的智能激光雷达解决方案提高学校周边区域的交通安全性。（图片来源）。

科学探索 – 无人机或低空飞行飞机上的机载激光雷达系统使科学家们能够精确绘制地球的大片区域，以获取地质和环境数据。在大型地貌区域拍摄的机载激光雷达高分辨图像现在可以精确到地球表面的每一米。激光雷达甚至可以穿透茂密的树冠识别地面上的结构。这些详细的地形数据正在帮助考古学家们发现以前未曾注意到的古代构筑物，包括墨西哥巨大的玛雅神庙遗址和新英格兰的早期Colonial settlements殖民定居点
。

太空– 与此同时，美国国家航空航天局（NASA）仍在继续使用激光雷达技术进行行星测绘，当前的目的在于探索火星表面。他们甚至能够探测到火星大气中的降雪现象。另一种类型的激光雷达称为测探激光雷达，其使用蓝绿色波长光线，可以穿透水体，用于海岸测绘等应用。

激光雷达图像捕捉到火星云层中的微小冰晶条纹，就像我们在地球上看到的雪堆一样。（图片：来源）

天气和气候 – 激光雷达脉冲不仅可用于测量汽车、人类活动和地形地貌，其短波长还可以检测空气中的颗粒物、气溶胶等微小物体。气象学家和气候学家们使用多种类型的激光雷达研究云型模式和大气变化。与此同时，植物学家们则使用激光雷达数据跟踪全球各地区的森林和冰川变化。

将雷达数据与激光雷达数据相结合，可以提高天气和风暴预报的准确性。（图片：来源）

能源– 一种称为差分吸收激光雷达（DIAL）的新技术可以检测到空气中指示地下石油和天然气矿床位置的微量气体分子。激光雷达系统还可以计算风速和风向，帮助风力发电场找到安装涡轮机的最佳位置。

农业 – 激光雷达可用于创建农业地形地貌的详细3D模型，提供高度准确的信息帮助农民提高生产效率。举例来说，通过识别水流和排水，农民可以改进灌溉，并减轻水土流失。阳光照射和土壤成分数据有助于改进种植计划。激光雷达图像甚至可用于通过植物结构、高度、密度和均匀性来表征微型作物区。同样，林业管理人员可以受益于相同的详细地形地貌和植被分析。

激光雷达测绘数据可用于多种类型的农业分析，如排水和植物生长。（图片来源）

增强现实– 增强现实系统将应用程序生成的数字图像与用户的现实环境视图相结合。用户的现实环境通常与相机采集的AR图像进行整合。借助新款Apple iPad Pro，激光雷达现已被添加到消费类电子设备中，作为开发完整3D AR体验的第一步。

激光雷达发射器的测量

激光雷达成像的准确性和可靠性取决于所使用的NIR近红外光3D感测设备和系统的质量。发射波长必须适合特定的应用，激光脉冲和模式必须保持精确性，并且发射强度必须足够，以满足感测距离需求，但不能过高，以防止浪费能量或导致激光变得有害。计量仪器可以表征用于飞行时间（TOF）计算及其他应用（如结构光或点阵模式）的NIR近红外激光器的性能。瑞淀的NIR 近红外光辐射强度测量镜头解决方案可用于测量NIR近红外激光器和LED，以确保用于以下用途的3D感测系统的性能和准确性：

面部识别和手势识别
眼动追踪和虹膜检测
用于自动驾驶汽车、无人机、机器人等领域的激光雷达
用于扩展现实（XR）设备的注视点渲染和注视引导用户界面
用于车载驾驶员和乘员监控系统（DMS和OMS）的存在、位置和视线跟踪
增强现实抬头显示（AR HUD）虚拟图像的优化
同时定位和映射（SLAM）
其他近红外光3D感测应用

瑞淀的NIR近红外光辐射强度测量镜头采用傅里叶光学元件，可通过单个图像采集近红外光光源的完整角度分布数据（±70度范围），并实现每个图像传感器像素高达约0.05度的角度分辨率。通过将 NIR 近红外光辐射强度测量镜头与配备1600万像素图像传感器的ProMetric^® Y16 成像辐射计搭配使用，用户能够在每个视角以高精度测量辐射强度、功率和辐射通量。

结合使用瑞淀的TT-NIRI™ 软件，此解决方案可帮助3D感测系统制造商们确保用于物体和区域感测的近红外光发射的准确分布和强度以及用于人机界面应用（如眼动追踪和人脸检测）的近红外光输出的安全水平。