到了21世紀(jì)，針對(duì)激光雷達(dá)技術(shù)的研究及科研成果層出不窮，極大地推動(dòng)了激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，隨著掃描，攝影、衛(wèi)星定位及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的集成，利用不同的載體及多傳感器的融合，直接獲取星球表面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而獲得數(shù)字表面模型DSM，數(shù)字高程模型DEM，數(shù)字正射影像DOM及數(shù)字線畫圖DLG等，實(shí)現(xiàn)了激光雷達(dá)三維影像數(shù)據(jù)獲得技術(shù)的突破。使得雷達(dá)技術(shù)得到了空前發(fā)展。如今激光雷達(dá)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于社會(huì)發(fā)展及科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域，成為社會(huì)發(fā)展服務(wù)中不可或缺的高技術(shù)手段。

一，激光雷達(dá)的定義

激光雷達(dá)（LiDAR）是一種用于精確獲得三維位置信息的傳感器，好比人類的眼睛，可以確定物體的位置、大小、外部形貌甚至材質(zhì)。它是通過(guò)激光測(cè)距技術(shù)探測(cè)環(huán)境信息的主動(dòng)傳感器的統(tǒng)稱。它利用激光束探測(cè)目標(biāo)，獲得數(shù)據(jù)并生成精確的數(shù)字工程模型。激光雷達(dá)由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng) 、信息處理三部分組成。激光雷達(dá)的工作原理是利用可見和近紅外光波（多為950nm波段附近的紅外光）發(fā)射、反射和接收來(lái)探測(cè)物體。

二，激光雷達(dá)傳感技術(shù)的特點(diǎn)

傳統(tǒng)的雷達(dá)是以微波雷達(dá)和毫米波雷達(dá)波段的電磁波為載波的雷達(dá)。激光雷達(dá)則是以激光作為載波，可以用振幅、頻率和相位來(lái)搭載信息作為載體。因此，激光雷達(dá)有以下優(yōu)于微波及毫米波的一些特點(diǎn)：

1、極高的分辨率
激光雷達(dá)工作于光學(xué)波段，頻率比微波高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)以上，因此，與微波雷達(dá)相比，激光雷達(dá)具有很高的距離分辨率、角分辨率和速度分辨率；

2、高抗干擾能力
激光波長(zhǎng)短，可發(fā)射發(fā)散角非常小的激光束，多路徑效應(yīng)小（不會(huì)像微波或者毫米波一樣產(chǎn)生多徑效應(yīng)），可探測(cè)低空或超低空目標(biāo)；

3、豐富的信息量
可直接獲取目標(biāo)的距離、角度、反射強(qiáng)度、速度等信息，生成目標(biāo)多維度圖像；

4、不受光線影響
不受光線影響，激光掃描儀可全天候進(jìn)行偵測(cè)任務(wù)。它只需發(fā)射自己的激光束，通過(guò)探測(cè)發(fā)射激光束的回波信號(hào)來(lái)獲取目標(biāo)信息。

三，激光雷達(dá)的分類

根據(jù)結(jié)構(gòu)，激光雷達(dá)分為機(jī)械式激光雷達(dá)、固態(tài)激光雷達(dá)和混合固態(tài)激光雷達(dá)。

1、機(jī)械式激光雷達(dá)

機(jī)械激光雷達(dá)，是指其發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)存在宏觀意義上的轉(zhuǎn)動(dòng)，也就是通過(guò)不斷旋轉(zhuǎn)發(fā)射頭，將速度更快、發(fā)射更準(zhǔn)的激光從“線”變成“面”，并在豎直方向上排布多束激光，形成多個(gè)面，達(dá)到動(dòng)態(tài)掃描并動(dòng)態(tài)接收信息的目的。因?yàn)閹в袡C(jī)械旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，所以機(jī)械激光雷達(dá)外表上最大的特點(diǎn)就是自己會(huì)轉(zhuǎn)，個(gè)頭較大。如今機(jī)械激光雷達(dá)技術(shù)相對(duì)成熟，但價(jià)格昂貴，暫時(shí)給主機(jī)廠量產(chǎn)的可能性較低；同時(shí)存在光路調(diào)試、裝配復(fù)雜，生產(chǎn)周期漫長(zhǎng)，機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件在行車環(huán)境下的可靠性不高，難以符合車規(guī)的嚴(yán)苛要求等不足。

2、混合固態(tài)激光雷達(dá)

機(jī)械式激光雷達(dá)在工作時(shí)發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)會(huì)一直360度地旋轉(zhuǎn)，而混合固態(tài)激光雷達(dá)工作時(shí)，單從外觀上是看不到旋轉(zhuǎn)的，巧妙之處是將機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件做得更加小巧并深深地隱藏在外殼之中。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，混合固態(tài)激光雷達(dá)指用半導(dǎo)體“微動(dòng)”器件（如MEMS掃描鏡）來(lái)代替宏觀機(jī)械式掃描器，在微觀尺度上實(shí)現(xiàn)雷達(dá)發(fā)射端的激光掃描方式。MEMS掃描鏡是一種硅基半導(dǎo)體元器件，屬于固態(tài)電子元件；但是MEMS掃描鏡并不“安分”，內(nèi)部集成了“可動(dòng)”的微型鏡面；由此可見MEMS掃描鏡兼具“固態(tài)”和“運(yùn)動(dòng)”兩種屬性，故稱為“混合固態(tài)”。對(duì)于激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)，MEMS最大的價(jià)值在于：原本為了機(jī)械式激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)掃描，必須使激光發(fā)射器轉(zhuǎn)動(dòng)。而MEMS微機(jī)電系統(tǒng)可以直接在硅基芯片上集成體積十分精巧的微振鏡，由可以旋轉(zhuǎn)的微振鏡來(lái)反射激光器的光線，從而實(shí)現(xiàn)掃描。這樣一來(lái)，激光雷達(dá)本身不用再大幅度地進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，可以有效降低整個(gè)系統(tǒng)在行車環(huán)境出現(xiàn)問(wèn)題的幾率。另外，主要部件運(yùn)用芯片工藝生產(chǎn)之后，量產(chǎn)能力也得以大幅度提高，有利于降低激光雷達(dá)的成本，可以從上千乃至上萬(wàn)美元降低到數(shù)百美元。

3、固態(tài)激光雷達(dá)

相比于機(jī)械式激光雷達(dá)，固態(tài)激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)上最大的特點(diǎn)就是沒有了旋轉(zhuǎn)部件，個(gè)頭相對(duì)較小。固態(tài)激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)包括了：數(shù)據(jù)采集速度快，分辨率高，對(duì)于溫度和振動(dòng)的適應(yīng)性強(qiáng)；通過(guò)波束控制，探測(cè)點(diǎn)（點(diǎn)云）可以任意分布，例如在高速公路主要掃描前方遠(yuǎn)處，對(duì)于側(cè)面稀疏掃描但并不完全忽略，在十字路口加強(qiáng)側(cè)面掃描。而只能勻速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械式激光雷達(dá)是無(wú)法執(zhí)行這種精細(xì)操作的。從使用的技術(shù)上，固態(tài)激光雷達(dá)分為OPA固態(tài)激光雷達(dá)和Flash固態(tài)激光雷達(dá)。

（1）OPA固態(tài)激光雷達(dá)

OPA（optical phased array）光學(xué)相控陣技術(shù)。對(duì)軍事有所了解的讀者，應(yīng)該會(huì)知道相控陣?yán)走_(dá)，美海軍宙斯盾艦上那一塊蜂窩狀的“板子”就是它。而光學(xué)相控陣使用的即是原理相同的技術(shù)。OPA運(yùn)用相干原理（類似的是兩圈水波相互疊加后，有的方向會(huì)相互抵消，有的會(huì)相互增強(qiáng)），采用多個(gè)光源組成陣列，通過(guò)控制各光源發(fā)光時(shí)間差，合成具有特定方向的主光束。然后再加以控制，主光束便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同方向的掃描。相對(duì)于MEMS，這一技術(shù)的電子化更加徹底，它完全取消了機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)射陣列中每個(gè)發(fā)射單元的相位差來(lái)改變激光的出射角度。因?yàn)闆]有任何機(jī)械結(jié)構(gòu)，自然也沒有旋轉(zhuǎn)。所以相比傳統(tǒng)機(jī)械式雷達(dá)，OPA固態(tài)激光雷達(dá)有掃描速度快、精度高、可控性好、體積小等優(yōu)點(diǎn)。但也易形成旁瓣，影響光束作用距離和角分辨率，同時(shí)生產(chǎn)難度高。

（2）Flash固態(tài)激光雷達(dá)

Flash原本的意思為快閃。而Flash激光雷達(dá)的原理也是快閃，不像MEMS或OPA的方案會(huì)去進(jìn)行掃描，而是短時(shí)間直接發(fā)射出一大片覆蓋探測(cè)區(qū)域的激光，再以高度靈敏的接收器，來(lái)完成對(duì)環(huán)境周圍圖像的繪制。因此，F(xiàn)lash固態(tài)激光雷達(dá)屬于非掃描式雷達(dá)，發(fā)射面陣光，是以2維或3維圖像為重點(diǎn)輸出內(nèi)容的激光雷達(dá)。某種意義上，它有些類似于黑夜中的照相機(jī)，光源由自己主動(dòng)發(fā)出。Flash固態(tài)雷達(dá)的一大優(yōu)勢(shì)是它能快速記錄整個(gè)場(chǎng)景，避免了掃描過(guò)程中目標(biāo)或激光雷達(dá)移動(dòng)帶來(lái)的各種麻煩。不過(guò)，這種方式也有自己的缺陷，比如探測(cè)距離較近。這意味著Flash固態(tài)激光雷達(dá)沒有“遠(yuǎn)視眼”，在實(shí)際使用中不適合遠(yuǎn)程探測(cè)，而業(yè)內(nèi)專家堅(jiān)信，全自動(dòng)駕駛汽車上搭載的激光雷達(dá)至少一眼就得看到200到300米外的物體。其實(shí)Flash固態(tài)激光雷達(dá)的成本還是相對(duì)低，但基于3D Flash技術(shù)的固態(tài)激光雷達(dá)，在技術(shù)的可靠性方面還存在問(wèn)題。

四，激光雷達(dá)傳感技術(shù)的工作原理

激光雷達(dá)的工作原理與毫米波雷達(dá)非常相近，以激光作為信號(hào)源，由激光器發(fā)射出的脈沖激光，打到地面的樹木，道路，橋梁和建筑物上引起散射，一部分光波會(huì)反射到激光雷達(dá)的接收器上，根據(jù)激光測(cè)距原理計(jì)算，就得到從激光雷達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的距離。脈沖激光不斷地掃描目標(biāo)物，就可以得到目標(biāo)物上全部目標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，用此數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理后，就可得到精確的三維立體圖像。也可以測(cè)量?jī)蓚€(gè)或多個(gè)距離，并計(jì)算其變化率而求得速度，這是、也是直接探測(cè)型雷達(dá)的基本工作原理。
LiDAR系統(tǒng)一般包括；激光源或其它發(fā)射器，靈敏的光電探測(cè)器或其它接收器，同步和數(shù)據(jù)處理電子系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備或微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）掃描鏡（二選一）。均是基于精確的激光掃描組件并可用于創(chuàng)建3D地圖或收集近距離數(shù)據(jù)。