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光學雷達。原圖鏈接

光學雷達（英語：lidar, LIDAR, LiDAR，是「light detection and ranging」的縮寫，簡稱光達），是以脈衝雷射光束探測目標的位置、速度等特徵量的一種雷達系統。光學雷達感測器通過掃描波長 850-1550奈米的光束、利用反射的光訊號建立區域三維地圖，從而提供空間信息。不論是白天還是夜間，光學雷達都能提供高解析度及明確的範圍和速度信息。

概述

光學雷達（光達）是一種光學遙感技術，它通過向目標照射一束光，通常是一束脈衝雷射來測量目標的距離等參數。在測繪學、考古學、地理學、地貌、地震、林業、遙感以及大氣物理等領域都有應用此外，這項技術還用於機載雷射地圖測繪、雷射測高、雷射雷達等高線繪製等等具體應用中。它代表光探測和測距，系統通常使用與雷達作用相似的無形鐳射光測量與物體的距離。

然而，光達技術並非毫無自己的特定限制。首先，每秒至少需要一百萬次測量，然後將它們轉化為可操作的資料，這需要大量的處理能力。光達感測器也很複雜，許多感測器倚賴於可動部件，這些配件會使它們更容易受到損壞。

光學雷達對物體距離的測量與通常所說的雷達類似，都是通過測量發送和接受到的脈衝信號的時間間隔來計算物體的距離。因此，由於原理上的相似性，儘管雷達的準確定義是使用微波或無線電波等波長較長的電磁波進行檢測測距的設備，光學雷達這一術語仍然被廣泛使用。依據搭載平台不同, 雷射雷達可以分為星載雷射雷達(spaceborne lidar)、機載雷射雷達(airbornelaser scanner, ALS)、無人機雷射雷達(drone laser scanner, DLS)、車載雷射雷達(vehicle-mounted laser scanner, VLS)和地基雷射雷達 (terrestrial laser scanner, TLS)。

工作原理

光學雷達最初是一種測量技術，可測量數千個點，以構建感測器周圍環境的驚人細節3D 視圖。工作原理是向目標發射探測信號，再將反射回來的信號與發射信號進行比較並作適當處理，從而獲得目標的眾多參數。它能夠獲取三維地理信息，不僅能作軍事用途，相關數據也被廣泛用於資源勘探、城市規劃、農業開發、環境監測、交通通訊、防震減災等眾多方面。工業界，自動駕駛、機器人（比如掃地機器人、物流機器人）、無人機、乃至 iPad Pro 2020 和 iPhone 12 Pro 系列中，均有光學雷達加持。

名詞釋義

目前還沒有關於大寫字母的共識，反映了光學雷達是否是縮寫詞的不確定性，以及它是否是縮寫，是否應該以小寫形式出現，如「lidar」。 各種出版物將光學雷達稱為「LIDAR」，「LiDAR」，「LIDaR」或「Lidar」。 光學雷達作為首字母縮寫（「LIDAR」或「LiDAR」）的解釋後的1970年，由於基本術語「雷達」最初是作為「無線電檢測和測距」的縮寫開始的，所以「光學雷達」必須代表「光檢測和測距」或「雷射光成像，檢測和測距」。儘管英語不再把「radar」當作縮寫，而且印刷的文字普遍以「lidar」這個詞為主，但在1980年代開始的一些出版物中，「lidar」一詞變成了大寫字母「LIDAR」或「LiDAR」。

美國地質調查局有時在同一文件中同時使用「LIDAR」和「lidar」；而紐約時報主要使用「lidar」，路透社等新聞公司可能會使用「Lidar」。儘管現在大多數人會把「LIDAR」這個詞當作縮寫，其實該術語起源於「light」與「radar」的混成詞。 1963年首次發表的關於雷射雷達的文章清楚地表明：「最終，雷射可以提供遠距離物體的特定波長的探測運用。」同時，它被用於研究月球。牛津英語詞典應證了這個詞源。

發展史

光學雷達起源於1960年代初，在雷射發明後不久，透過雷射對焦成像與透過使用感測器和數位搜集裝置測量信號回傳時間，及計算距離的能力結合而產生。 它的第一個應用來自氣象學，美國國家大氣研究中心用它來測量雲。1971年阿波羅15號任務期間，當太空人使用雷射高度計繪製月球表面時，讓群眾意識到光學雷達的準確性和實用性。

感測器

與檢測物體自然發射的能量的無源傳感器相反，光學雷達使用有源傳感器，它們發射自己的能量源進行照明。 能量源撞擊物體，物體反射的能量被感測器檢測和測量。 雷射光雷達是有源傳感器的一個例子，它使用雷射器（通過受激發射輻射的光放大）雷達傳輸光脈沖和帶有靈敏探測器的接收器來測量背散射或反射光。 通過記錄發射和背散射脈沖之間的時間並使用光速計算行進距離來確定與物體的距離。

自動駕駛汽車的眼睛

光學雷達感測器可幫助自動駕駛汽車探測到其他車輛、自行車、行人以及道路上任何構成潛在危險的障礙物，它獲取到的資訊至關重要，因而也被稱為是自動駕駛汽車的眼睛。

誠然，測距光學雷達有望使得機器以非常高的精度觀察世界並對機器進行導航，但在光學雷達被自動駕駛車輛和機器人廣泛使用之前，光學雷達感測器需要大量生產，性能需要提升，成本也需要比目前的商用系統成本（幾千美元上下）低2個數量級。

雷達視角

無線電探測和測距，可概括為大多數人所稱的」雷達」，是第二次世界大戰前所開發的。幾十年來，它一直被用來精確計算飛機、船隻和其他移動物體的位置、速度和方向。雷達的工作原理是向目的地區域發射無線電波，並監測任何物體的反射。分析這些反射的頻率也揭示了它們的相對速度。例如，來自接近物體的反射向上移動，而從後退物體的反射向下移動–與警察警報器在經過時，改變間距時所經歷的效果類似。

先端科技

2016 年 8 月，MIT（美國麻省理工學院）聯合DARPA美國國防部高級研究計劃局）給出了一個解決方案：將光學雷達感測器封裝到單晶片上， 尺寸僅 0.5 毫米 × 6 毫米。在DARPA的支持下，MIT在 Kyber Photonic的一個小組設計了新型固態 lidar-on-a-chip 結構。MIT 表示：與目前最先進的光學雷達相比，這一設計視野相當廣闊、控制方法簡單，並有希望透過整合光子學產業的晶片規模製造方法，將規模擴大到數百萬個單元。

單晶片光學雷達

新型固態 lidar-on-a-chip 結構

IEEE Spectrum 拆解了該結構的 2 個關鍵概念。一是固態，即不使用活動部件，消除了機械模式的故障。二是 lidar-on-a-chip，指將雷射、電子、探測器和光學光束控制機制全部整合到晶片上。正是由於這一架構可以充分利用與 CMOS 兼容的材料、半導體行業建立的晶片規模製造方法，現存的光學雷達難題有望被解決。正如 IEEE Spectrum 在報導中所說的那樣：

一旦最終的解決方案被證實，可以預期，光學雷達感測器就像電腦、手機內部的積體電路一樣，每年生產數億個。具體來講，MIT光子學團隊和 MIT林肯實驗室的研究人員合作開發了固態光束轉向的替代解決方案。過去3年，研究人員已經設計、製造並在實驗中成功演示了一種新的固態波束控制架構，這一架構可在近紅外環境下工作。最終目標是在未來2-3年內實現一個錢包大小的光學雷達晶片單元，並且擁有一條清晰的生產路徑，實現低成本、高可靠性、高性能和可擴展性，適用於自動駕駛汽車等行業。

光達是未來無人駕駛汽車的重要技術，通用汽車和 Waymo 是著名的支持者。目前，它的價格高得令人望而卻步，在汽車行業中基本上未經證實，但當該技術成為主流產品時，其性能可能證明至關重要。在車輛中，光達能盡可能提供最詳細的路況、用路人和車輛周圍的潛在危險。令人印象深刻的是，光達可深測高達100公尺左右的距離，並能以最高2釐米的精度測量距離。光達也不受風、雨和雪等惡劣天氣條件的影響，實際上甚至可以用來繪製大雪中無法進入的區域條件。

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