編者按：半個世紀光電情，披星戴月星辰明。中科院之聲與中國科學院光電技術研究所聯合開設“流光E彩”科普專欄，講述生活中的光電科普趣事，傳播最生動的光電知識，展示最前沿的光電進展。

随着人工智能的發展，汽車自動駕駛不再是想象中的場景，你知道汽車是如何看清周圍的環境，實現自主駕駛嗎？這就不得不提到機器人的“眼睛”——三維成像激光雷達。激光雷達顧名思義，就是一種借助激光對物體距離進行測量的主動探測遙感設備，與微波雷達類似，人們最早是從蝙蝠身上找到的靈感。激光雷達與它們相比測距精度更高，并且可以看到物體更加細節的特征，因而在生活中有着非常廣泛的應用。

蝙蝠和雷達（圖片來自網絡）

自動駕駛汽車（圖片來自網絡）

上世紀六七十年代，發達國家就已經開始了激光雷達在三維成像領域的研究。如果把激光雷達對物體的成像比作盲人摸象，那麼我們可以把“摸象”的過程分成兩步：首先是知道“象”的位置和距離，然後通過在“象”身上不斷摸索來确定“象”的樣子。而這也就對應着三維成像激光雷達工作的兩大部分：激光距離測量過程和激光三維成像過程。

激光雷達的測距方法有哪些呢？

就像大家所熟知的那樣，路程=速度×時間，激光雷達的測距過程也離不開這個公式。在空間中，激光的飛行速度是已知的3×10⁸ m/s。現有的激光雷達測距方法有很多種，除了直接測量激光脈沖飛行時間的方式，還可以通過對發射激光信号的幅度、頻率等參數進行調制來間接的獲取目标的距離信息。

利用激光雷達進行距離測量，針對不同的應用場景，我們要對症下藥。

“激光測距裡的千裡眼”——脈沖激光測距法

脈沖激光具有峰值功率大的特點，這使它能夠在空間中傳播很長的距離，所以脈沖激光測距法可以對很遠的目标進行測量。很遠是有多遠呢？目前人類曆史上最遠的激光測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距法。自2019年6月以來，我國天琴計劃團隊已經多次成功實現地月距離的測量，通過對脈沖飛行時間的精确計時，得到地月距離在351,000 km到406,000 km（橢圓軌道）之間波動。

（圖片來自網絡）

脈沖激光測距是一種發展十分成熟的測距體制，不僅可以用來對遠目标探測，還可以用在數公裡甚至數十米測量場景下。目前的汽車自動駕駛中也大多采用這種方法，其測距精度可以達到厘米量級，這對大部分的應用場景已經足夠。

自動駕駛激光雷達（圖片來自網絡）

“明察秋毫”的相位激光測距法

對那些對測距精度要求較高的應用場景，如“空間交彙對接”中最後的接近段等，厘米級的測距精度已經不能滿足它們的要求，這時候需要用相位激光測距的方法來測量。

空間交會對接（圖片來自網絡）

相位激光測距發射的是經過了調制的連續激光信号，通過測量回波信号與發射信号之間的相位差來确定目标的距離。與脈沖激光測距相比，相位式激光測距法有更高的測距精度，其測距精度可以達到毫米級。但是由于相位式測距發射的激光為連續波，這使得它的平均功率遠低于脈沖激光的峰值功率，因而無法實現遠距離目标的探測。我們生活中常用的手持式激光測距儀大多都是采用相位激光測距的方法。

相位式激光測距儀（圖片來自網絡）

“追着你測”的調頻連續波激光測距法

如果目标是運動的，除了距離，我們還想知道目标的速度時，該怎麼辦呢？随着航天技術的發展，保證航天器能夠安全的軟着陸成為一個重要的問題。單次脈沖激光測距和相位測距法隻能獲得目标的距離信息，若要獲得其速度至少需要兩次測量結果并結合兩次測量的時間間隔來計算。而這樣計算出來的平均速度的精度遠低于激光多普勒測速雷達的測速精度。

調頻連續波激光測距方法可以解決這個問題，它不僅可以測距，還可以測速，因此可以應用于相對運動速度較高的目标測距。美國國家航天局NASA于2006年提出的用于重返月球和探測火星的自主着陸和障礙規避計劃（ALHAT計劃）正是采用了這種測距方法，該雷達于2008年和2010年進行了飛行試驗，取得了不錯的效果。

ALHAT計劃（圖片來自網絡）

激光雷達是如何成像的？

“盲人摸象”走完第一步，我們已經成功的找到了“大象”的位置和距離，下一步我們該如何知道“大象”的樣子呢？這就是激光雷達的成像過程要解決的問題。簡單的理解，激光雷達三維成像其實就是在測出目标各點距離的基礎上，同時獲得每個點與雷達之間的水平角和俯仰角，這樣我們就得到目标三維信息了。按照目标各點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。

“讓激光動起來”的掃描三維成像

掃描式激光成像方法目前已經相當成熟，在地形測量、工程建設，汽車導航領域有着非常廣泛的應用。它由單點激光測距配合快速光束掃描器件來實現對目标上各點距離信息的獲取，再将這些距離信息與該點對應光束指向的方位角和俯仰角結合得到目标的距離-角度-角度圖像(Rang-Angle-Angle)，又稱為三維圖像。

掃描式激光三維成像

美國國家航天局NASA為測量冰蓋質量平衡、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星載激光雷達成像系統。ICESat于2003年1月13日發射成功，它在激光測距的基礎上，利用衛星平台的運動，實現對地表的單點掃描成像。在軌工作7年後，ICESat于2010年完成了對地球表面絕大部分地區的激光測繪工作。

ICESat激光單點掃描成像（圖片來自網絡）

掃描三維成像也被廣泛的用在汽車自動駕駛裡。為了提高掃描的速率，市面上的車載激光雷達往往采用發射激光陣列的形式進行掃描成像，這也被稱為多線束成像。其中Velodyne公司以360°旋轉的多線束激光雷達為主要産品，掃描線數達到了16線、32線及64線，是機械旋轉加多線掃描成像的典型代表，技術較為成熟。

Velodyne多線掃描成像激光雷達（圖片來自網絡）

“一眼就能看穿你”的面陣三維成像

除了這種掃描遍曆目标的成像方式，有沒有其他更加便捷，“啪”的一下就能得到目标三維信息的成像方式呢？

有！

面陣式激光成像就是為此産生的一種快速成像方式。相比于掃描式激光成像需要逐點掃描測距的方式，面陣式激光成像它僅需發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标全貌，那麼面陣成像就像是用巨大的手掌直接覆蓋目标。同時，因為沒有掃描結構，所以面陣式系統整機結構更加緊湊，體積更小。按照探測器的不同，面陣三維成像大緻可以分為APD陣列和CCD相機兩種探測方式。

APD陣列的每個像元都是一個單點激光測距的單元，能夠直接給出與其對應的距離信息。上世紀90年代後期，美國麻省理工學院林肯實驗室（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的探測器,其陣列的規模日益增大，從4×4、8×8到128×32乃至256×256。2003年MIT/LL對地面目标進行了機載三維成像試驗和機載植被穿透實驗，實驗表明采用焦平面探測器的面陣式三維成像激光雷達可以快速獲取目标三維圖像，有效地識别林中隐蔽的坦克。

基于APD陣列的三維成像激光雷達對密林中隐蔽坦克進行探測（圖片來自網絡）

2018年，中國科學院光電技術研究所提出了基于偏振調制的激光三維成像方法，利用EMCCD相機作為探測器，提高了系統的探測靈敏度。同時，利用偏振調制技術從EMCCD拍攝圖像的灰度信息得到脈沖飛行的時間，從而實現距離的測量。該系統僅需發射一次脈沖即可獲得一幅三維圖像，因而可以用于高速運動平台或高動态目标的三維成像。

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，不需要掃描結構，但是它将系統接收的回波功率平均分布到每個探測像元上，探測像元越多，分散到每個像元上的回波功率就越低，因此面陣成像系統的測距範圍遠小于單點掃描測距系統，一般僅适用于較近距離的成像探測。

激光雷達三維成像系統與傳統的被動相機相比不僅可以獲得目标的強度信息還有更加豐富的距離信息；與微波雷達成像系統相比又具有全天時、測量精度高和分辨率高的特點，因而在現代成像領域發揮着越來越重要的作用。随着現代科技和社會的發展，相信三維成像激光雷達在未來會有更大的應用前景！

來源：中國科學院光電技術研究所