回望激光雷達 50 年：從月球成像，到自動駕駛
編者按：在如今的智能手機和汽車產業，激光雷達越來越成為一個常見詞彙，而且有越來越頻繁之勢；不僅如此，有諮詢公司預計全球汽車激光雷達市場將在 2032 年將達到 280 億美元。然而，如果把時間往回撥 50 年，激光雷達的應用領域僅侷限於太空探測，這不由得讓我們好奇，激光雷達是如何一步一步發展到今天的？圍繞這一話題，外媒作者 Tyler Charboneau 進行了全面而深入的解讀，雷鋒網對本文進行了不改變原意的編譯。
半個多世紀以來，LiDAR 已經在多個行業和技術應用中嶄露頭角。
這項技術用途特殊，甚至被譽為雷達的繼承者。最近一直在穩步發展的 LiDAR 技術，是如何從龐大笨重變得更加高效的？它又是如何成為自動駕駛的主要技術呢？
激光雷達的地質測繪首秀
在二戰後的幾十年裏，美國地質調查局 ( USGS ) 專注於自動化測繪過程。新技術與航空攝影相結合，很快，激光技術就開啓了大規模測繪新世界的大門，測繪效率上升一個級別。
為快速成像打開大門的激光技術到 70 年代更加成熟。基於激光的遠程傳感器，能夠幫助飛機繪製出海洋、冰川和森林的地圖。
在“阿波羅”任務期間，激光掃描對於生成月球表面的 3D 圖像也至關重要。
LiDAR 系統在阿波羅任務中飛行。圖片由 NASA 和 James Abshire 提供
據美國宇航局稱，阿波羅 15 號至 17 號採用了一種依賴於 “紅寶石激光器閃光燈泵浦”（lashlamp-pumped ruby laser）的 LiDAR ，繪製月球表面圖。這種激光器被稱之為激光高度計，具有每分鐘 3.75 次的低脈衝頻率，並依靠機械部件來發揮作用。
值得一提的是，LiDAR 首字母縮寫詞最初是 “光”（Light）和“雷達”（Radar）的混合體，概念和名稱最終演變成現在的形式，也被稱為激光成像檢測和測距。
LiDAR 技術在它發展的最初一個十年只是找到了立足點，到了 80 年代，LiDAR 開始全面成型。
SoC推動下一代激光雷達出現
80 年代的 LiDAR 技術向前邁出了重要一步，這主要是因為固體電路技術的出現，電機和齒輪讓位於片上系統 （SoC）。這種現代、緊湊的封裝方式可以控制其激光系統掃描場景。另一方面，半導體技術的出現幫助這些 LiDAR 系統縮小了尺寸。
激光雷達電路緊湊性的提高與二極管系統的到來密切相關，可靠性的提高則意味着 NASA 的 LiDAR 裝置可以持續運行多年。
此外，基於 SoC 的激光雷達技術還在以下應用中發揮了重要作用：
基於 LiDAR 的激光二極管明顯效率更高、壽命更長，產生的激光密度更大，分辨率更高。例如，對南極洲和格陵蘭島的測量，其高度分辨率僅為幾毫秒。
第一個利用這種方法的太空 LiDAR 使用摻釹釔鋁石榴石 （Neodymium-doped Yttrium Aluminum Garnet， Nd:YAG）)激光器，並被稱為火星軌道器激光高度計（Mars Orbiter Laser Altimeter，MOLA）。
NASA 的 MOLA 示意圖。圖片由NASA 提供
YAG 激光器以其功率和穿透深度而聞名，可以相對輕鬆地清除 LiDAR 源和目標之間的障礙物。
在此期間出現的另一項技術是染料激光（dye lasers）。脈衝染料激光雷達（Pluse-dye LiDAR）的工作波長更寬，產生的脈衝短至 10 飛秒（或十億分之一秒）。
在 80 年代之前，由於商業化成本高昂，加上 GPS 的短缺減緩了航空系統的推出，LiDAR 的普及受到嚴重阻礙。不過，一旦生產商克服了這一障礙，LiDAR 就可以被廣泛用於收集地理數據和進行大氣研究。
脈衝頻率的增加和激光波長的縮短使測量空氣中的微粒變得更加容易。
可見，幾乎每隔十年，LiDAR 技術就會取得巨大的進步；那麼 90 年代的 LiDAR 是什麼樣？
第四個 10 年，激光雷達商業化
快進到 90 年代，LiDAR 開始受到市場青睞。同其競爭對手相比，LiDAR 系統在市場上大受歡迎。這是因為政府機構不再壟斷該技術，儘管在此之前，政府的資金和研發為這項技術的廣泛應用奠定了基礎。
通過將機載激光發射掃描與航拍相機相結合，飛機可以在測繪時輕鬆捕獲 3D 監控數據。從表面分析的角度來看，這些數據非常有價值。這是因為其他測繪方式都是通過推理完成，有時候會做出有根據的猜測來繪製地圖，而 LiDAR 卻是直接測量，繪製的地圖更加可靠和快速。自此，由傳感器驅動的測繪成為“減少失真”的代名詞。
此外，這些系統的價格在接下來的十年裏穩步下降，以至於 LiDAR 的價格更加親民，雖然對很多人來説依然比較昂貴。
隨着固體電路技術的成熟，LiDAR 也向前邁進了一步。雖然以前有以其脈衝速度而聞名的染料激光器，但新型的基於 SoC 的激光器可以產生的脈衝短至 5 飛秒。1 飛秒內，光傳播的距離大約為300納米，這個距離比有歷史記載以來最小的細菌略大一點，這些激光波長範圍涵蓋從紫外線到紅外線全部波長。
總體而言，直到 1995 年左右，典型的 LiDAR 系統都包含 YAG、紅寶石或 YLF 激光器，大型接收望遠鏡也是必不可少的組件。但是，這些 LiDAR 解決方案複雜、繁瑣、耗電大、需要在專業人士的指導下操作。如果這項技術想要覆蓋地更廣，就需要做出一些改變。
儘管面臨的挑戰有很多，但 LiDAR 被廣泛應用仍然有很大的希望。在 LiDAR 的大部分歷史中，它主要用於太空探測——那麼它是如何轉移到車輛上，如今廣為人知的呢？
如今的激光雷達
迄今為止，LiDAR 已經走過 50 年的漫長旅程。雖然一些 LiDAR 系統的成本可能依然高達 75000 美元，但總體而言最近成本在下降。
現在，通過像 Luminar 等這樣的公司，只需要 500 美元的價格就可以獲得商用級 LiDAR 裝置。此外，據預測，到 2025 年，LiDAR 系統的平均價格可能會達到每個 700 美元左右，這對初創公司和客户來説都是令人振奮的消息。
伴隨着更廣泛的可用性，出現了更多的應用場景，LiDAR 不再只是關注通過火箭飛船或衞星的測繪讀數。該技術現在離地面更近了，小型無人機已成為必不可少的地面勘測飛機，自動駕駛汽車也在持續發展。
LiDAR 在汽車和工業應用中的可能路線圖。圖片由 Yole Développement 提供
如今購買一個台總尺寸僅為幾英寸的 LiDAR 裝置是有可能且有必要的。LiDAR 不再是覆蓋整個車頂的巨大“圓盤”，與之對應的，汽車製造商現在可以購買適合汽車擋風玻璃的裝置。
現代 LiDAR 也更加智能，每個單元現在能夠每秒內捕獲超過 200 萬個數據點，精度為 5 毫米。即使是小型裝置也可以準確地將脈衝發送到 1000 米之外，這對自主安全來説是一個福音。
物體識別也得到了改善，能耗也大幅下降。LED 和 VCSEL 二極管大大縮小了傳感器的外形尺寸，智能手機攝像頭外殼就可以容納它們。
脈衝調製和單光子雪崩二極管（SPAD）系統已經興起，它們擅長檢測運動物體，同時具有抗串擾功能。
因此，今天的 LiDAR 系統已經發展到具有更少的延遲和更小的帶寬需求，與之匹配的軟件也一如既往地發揮着至關重要的作用——AI 算法成為確定環境對象動態分析的基礎。
今天的 CMOS 支持的傳感器已經開啓了實時處理，它們還可以使用 RGB 顏色在 1D、2D、3D 和 4D 中查看——在可預見的未來，汽車、物聯網、農業、工業和林業等領域的公司將繼續依靠 LiDAR 來應對更大的挑戰。雷鋒網
雷鋒網(公眾號：雷鋒網)編譯自 Allaboutcircuits
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資料來源：雷鋒網
作者/編輯：吳優
半個多世紀以來，LiDAR 已經在多個行業和技術應用中嶄露頭角。
這項技術用途特殊，甚至被譽為雷達的繼承者。最近一直在穩步發展的 LiDAR 技術，是如何從龐大笨重變得更加高效的？它又是如何成為自動駕駛的主要技術呢？
激光雷達的地質測繪首秀
在二戰後的幾十年裏，美國地質調查局 ( USGS ) 專注於自動化測繪過程。新技術與航空攝影相結合，很快，激光技術就開啓了大規模測繪新世界的大門，測繪效率上升一個級別。
為快速成像打開大門的激光技術到 70 年代更加成熟。基於激光的遠程傳感器，能夠幫助飛機繪製出海洋、冰川和森林的地圖。
在“阿波羅”任務期間，激光掃描對於生成月球表面的 3D 圖像也至關重要。
LiDAR 系統在阿波羅任務中飛行。圖片由 NASA 和 James Abshire 提供
據美國宇航局稱，阿波羅 15 號至 17 號採用了一種依賴於 “紅寶石激光器閃光燈泵浦”（lashlamp-pumped ruby laser）的 LiDAR ，繪製月球表面圖。這種激光器被稱之為激光高度計，具有每分鐘 3.75 次的低脈衝頻率，並依靠機械部件來發揮作用。
值得一提的是，LiDAR 首字母縮寫詞最初是 “光”（Light）和“雷達”（Radar）的混合體，概念和名稱最終演變成現在的形式，也被稱為激光成像檢測和測距。
LiDAR 技術在它發展的最初一個十年只是找到了立足點，到了 80 年代，LiDAR 開始全面成型。
SoC推動下一代激光雷達出現
80 年代的 LiDAR 技術向前邁出了重要一步，這主要是因為固體電路技術的出現，電機和齒輪讓位於片上系統 （SoC）。這種現代、緊湊的封裝方式可以控制其激光系統掃描場景。另一方面，半導體技術的出現幫助這些 LiDAR 系統縮小了尺寸。
激光雷達電路緊湊性的提高與二極管系統的到來密切相關，可靠性的提高則意味着 NASA 的 LiDAR 裝置可以持續運行多年。
此外，基於 SoC 的激光雷達技術還在以下應用中發揮了重要作用：
- 經過超過 6 億次測量，繪製出火星的表面形狀；
- 經過近 20 億次激光測量，地球地形和大氣掃描得以初步擴展；
- 測量各種小行星的形狀；
基於 LiDAR 的激光二極管明顯效率更高、壽命更長，產生的激光密度更大，分辨率更高。例如，對南極洲和格陵蘭島的測量，其高度分辨率僅為幾毫秒。
第一個利用這種方法的太空 LiDAR 使用摻釹釔鋁石榴石 （Neodymium-doped Yttrium Aluminum Garnet， Nd:YAG）)激光器，並被稱為火星軌道器激光高度計（Mars Orbiter Laser Altimeter，MOLA）。
NASA 的 MOLA 示意圖。圖片由NASA 提供
YAG 激光器以其功率和穿透深度而聞名，可以相對輕鬆地清除 LiDAR 源和目標之間的障礙物。
在此期間出現的另一項技術是染料激光（dye lasers）。脈衝染料激光雷達（Pluse-dye LiDAR）的工作波長更寬，產生的脈衝短至 10 飛秒（或十億分之一秒）。
在 80 年代之前，由於商業化成本高昂，加上 GPS 的短缺減緩了航空系統的推出，LiDAR 的普及受到嚴重阻礙。不過，一旦生產商克服了這一障礙，LiDAR 就可以被廣泛用於收集地理數據和進行大氣研究。
脈衝頻率的增加和激光波長的縮短使測量空氣中的微粒變得更加容易。
可見，幾乎每隔十年，LiDAR 技術就會取得巨大的進步；那麼 90 年代的 LiDAR 是什麼樣？
第四個 10 年，激光雷達商業化
快進到 90 年代，LiDAR 開始受到市場青睞。同其競爭對手相比，LiDAR 系統在市場上大受歡迎。這是因為政府機構不再壟斷該技術，儘管在此之前，政府的資金和研發為這項技術的廣泛應用奠定了基礎。
通過將機載激光發射掃描與航拍相機相結合，飛機可以在測繪時輕鬆捕獲 3D 監控數據。從表面分析的角度來看，這些數據非常有價值。這是因為其他測繪方式都是通過推理完成，有時候會做出有根據的猜測來繪製地圖，而 LiDAR 卻是直接測量，繪製的地圖更加可靠和快速。自此，由傳感器驅動的測繪成為“減少失真”的代名詞。
此外，這些系統的價格在接下來的十年裏穩步下降，以至於 LiDAR 的價格更加親民，雖然對很多人來説依然比較昂貴。
隨着固體電路技術的成熟，LiDAR 也向前邁進了一步。雖然以前有以其脈衝速度而聞名的染料激光器，但新型的基於 SoC 的激光器可以產生的脈衝短至 5 飛秒。1 飛秒內，光傳播的距離大約為300納米，這個距離比有歷史記載以來最小的細菌略大一點，這些激光波長範圍涵蓋從紫外線到紅外線全部波長。
總體而言，直到 1995 年左右，典型的 LiDAR 系統都包含 YAG、紅寶石或 YLF 激光器，大型接收望遠鏡也是必不可少的組件。但是，這些 LiDAR 解決方案複雜、繁瑣、耗電大、需要在專業人士的指導下操作。如果這項技術想要覆蓋地更廣，就需要做出一些改變。
儘管面臨的挑戰有很多，但 LiDAR 被廣泛應用仍然有很大的希望。在 LiDAR 的大部分歷史中，它主要用於太空探測——那麼它是如何轉移到車輛上，如今廣為人知的呢？
如今的激光雷達
迄今為止，LiDAR 已經走過 50 年的漫長旅程。雖然一些 LiDAR 系統的成本可能依然高達 75000 美元，但總體而言最近成本在下降。
現在，通過像 Luminar 等這樣的公司，只需要 500 美元的價格就可以獲得商用級 LiDAR 裝置。此外，據預測，到 2025 年，LiDAR 系統的平均價格可能會達到每個 700 美元左右，這對初創公司和客户來説都是令人振奮的消息。
伴隨着更廣泛的可用性，出現了更多的應用場景，LiDAR 不再只是關注通過火箭飛船或衞星的測繪讀數。該技術現在離地面更近了，小型無人機已成為必不可少的地面勘測飛機，自動駕駛汽車也在持續發展。
LiDAR 在汽車和工業應用中的可能路線圖。圖片由 Yole Développement 提供
如今購買一個台總尺寸僅為幾英寸的 LiDAR 裝置是有可能且有必要的。LiDAR 不再是覆蓋整個車頂的巨大“圓盤”，與之對應的，汽車製造商現在可以購買適合汽車擋風玻璃的裝置。
現代 LiDAR 也更加智能，每個單元現在能夠每秒內捕獲超過 200 萬個數據點，精度為 5 毫米。即使是小型裝置也可以準確地將脈衝發送到 1000 米之外，這對自主安全來説是一個福音。
物體識別也得到了改善，能耗也大幅下降。LED 和 VCSEL 二極管大大縮小了傳感器的外形尺寸，智能手機攝像頭外殼就可以容納它們。
脈衝調製和單光子雪崩二極管（SPAD）系統已經興起，它們擅長檢測運動物體，同時具有抗串擾功能。
因此，今天的 LiDAR 系統已經發展到具有更少的延遲和更小的帶寬需求，與之匹配的軟件也一如既往地發揮着至關重要的作用——AI 算法成為確定環境對象動態分析的基礎。
今天的 CMOS 支持的傳感器已經開啓了實時處理，它們還可以使用 RGB 顏色在 1D、2D、3D 和 4D 中查看——在可預見的未來，汽車、物聯網、農業、工業和林業等領域的公司將繼續依靠 LiDAR 來應對更大的挑戰。雷鋒網
雷鋒網(公眾號：雷鋒網)編譯自 Allaboutcircuits
相關文章：
第二代激光雷達全球首發，自動駕駛技術市場之爭逐漸明晰？
全球首款量產激光雷達智能汽車，小鵬 P5預計9月正式上市
雷鋒網原創文章，未經授權禁止轉載。詳情見轉載須知。
資料來源：雷鋒網
作者/編輯：吳優