什么是数字激光雷达

激光雷达(英文：Laser Radar [1])，是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。其工作原理是向目标发射探测信号(激光束)，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。它由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成，激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，送到显示器。LiDAR(Light Detection and Ranging)，是激光探测及测距系统的简称，另外也称Laser Radar [1]或LADAR(Laser Detection and Ranging) [2]。

用激光器作为发射光源，采用光电探测技术手段的主动遥感设备。激光雷达是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测方式。由发射系统、接收系统 、信息处理等部分组成。发射系统是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器以及光学扩束单元等组成;接收系统采用望远镜和各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等组合。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法按照探测的原理不同可以分为米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射、荧光、多普勒等激光雷达。

今年 CES，来自全球超过 40 家激光雷达公司齐聚拉斯维加斯，各种形态的产品、不同的技术路线同台争艳。

很多公司在激光雷达产品的价格层面拼起了刺刀，也有的公司在产品的体积、形态、性能方面精益求精。

当前主流的激光雷达形态有「机械旋转式」和「固态」两种。

前些年因为「固态激光雷达」技术的成熟度不够高，「机械旋转式激光雷达」一直是业内的主要选择。

如今，为了更适应汽车行业的要求，也为了降本增效，「固态激光雷达」成为行业新宠。

但是，现在自动驾驶行业有一个比较尴尬的境况是：以往采用「机械旋转式激光雷达」的自动驾驶公司的感知算法是专门针对该类雷达进行开发的，当替换成「固态激光雷达」后，其相应的感知算法需要推倒重来，传感器方案也要重新考虑，这在某种程度上带来了很大的技术迁移难度。

为了更好地解决这一问题，业内需要一种能够「旋转」起来的「固态激光雷达」，结合两种技术路线的优势，在不进行大规模技术迁移的同时实现降本增效。

什么是「数字激光雷达」?

旧金山激光雷达创业公司 Ouster 将这种形态的产品称为「数字激光雷达」(Digital LiDAR)，这家公司已经将这一概念转化成了实际的产品。

所谓「数字激光雷达」，就是对激光雷达进行全半导体化的设计，将原来激光雷达产品内部的发射器、接收器等上千种光电器件固化到芯片之中，实现了「固态」的形式。

在此基础上，Ouster 再在激光雷达内部加入旋转装置，让其能够在 360 度方向上实现扫描。这就是所谓的「旋转起来的固态激光雷达」。

「数字激光雷达」体积小、重量轻。比如 Ouster 中距离产品 OS1 系列在不到 400 克的重量内，可实现从 16 线到 128 线的分辨率。

本次 CES，我们也发现了一个很有意思的应用：Flex G gate 公司将 Ouster 的激光雷达安装到了汽车大灯里。这一应用的实现就是利用了 Ouster 激光雷达小巧的特点。

什么是激光雷达?

光探测和测距(LiDAR)是一种主动遥感系统。

让我们进一步分解：

主动意味着系统本身产生能量(在本例中为光)来测量地面上的物体。

遥感是指在不实际与该物体进行任何物理接触的情况下连续收集物体或现象的数据和信息。

在激光雷达系统中，光线快速发射到地面并从建筑物和树枝等物体上反射。然后反射光返回到激光雷达传感器并进行记录。需要注意的是，LiDAR 传感器发出的每条光可能会有多次反射，因为这取决于光反射的物体，稍后我们将详细说明如何使用 LiDAR 数据来准确绘制和感测环境。

如果您还记得中学物理中的任何内容，您就会记得速度与距离有直接关系，与时间有反比关系。因此，通过测量的时间，激光雷达系统可以计算出行驶的距离，然后将其转换为海拔高度。

LiDAR 传感器通常由以下关键组件组成：

惯性测量单元 (IMU)，用于测量无人机在天空中的方向

GPS 可识别车辆的 X、Y、Z 坐标。

激光雷达用在哪里?

LiDAR 技术已经存在 60 多年，第一台 LiDAR 原型机于 1961 年由休斯飞机公司制造。

如今，激光雷达在自动驾驶汽车的计算机视觉任务中变得越来越流行，并被认为是为许多应用提供关键信息的强大工具：

自动驾驶车辆和机器人

空中检查

林业和土地管理

测绘

离散和全波形激光雷达：

LiDAR 接收光能的波形或分布，LiDAR 传感器以两种不同的方式处理它：

离散返回激光雷达系统

全波形激光雷达系统

离散系统记录传感器发射的每个激光脉冲的 1-4 个(有时甚至更多)返回，而全波形 LiDAR 系统记录返回光能量的分布。这使得全波形激光雷达数据的处理变得复杂，因为与离散返回激光雷达系统相比，它们通常可以捕获更多信息。

然而，无论是作为离散点还是全波形收集，LiDAR 数据通常都是作为离散点收集的，称为 LiDAR 点云。存储该点云的文件格式称为“.las”。该文件的压缩版本称为“.laz”，它只是“.las”的压缩版本。有时，LiDAR 点云数据可以采用 GeoTIFF (.tif) 格式。

LiDAR 数据到底是什么?

激光雷达的数据属性因数据的收集和处理方式而异。但是，通过查看元数据，您可以了解哪些属性构成数据点

通常，所有激光雷达数据点都会具有与位置 (x, y) 和高程 (z) 相对应的相关 X,YZ 值。另外一个常见的属性是强度值，它表示发射后返回到传感器的光能的量。

作为处理过程的一部分，附加步骤可能是将激光雷达数据点云分类为激光反射的不同类型的物体，例如“地面”、“建筑物”和“植被”。然后，您将使用分类为“地面”的点生成数字高程模型 (DEM)，该模型将地表高程表示为连续栅格。接下来，您将使用分类为“建筑物”的点来提取 2D 建筑物覆盖区。最后，您将把这些元素组合在一起生成 3D 建筑特征。

从 LiDAR 数据构建地图的一般工作流程：

以下是使用 LiDAR 数据生成地图的一般工作流程，用于地面用例，例如自主清洁机器人或基于家用电器的机器人。