【導讀】LiDAR（光探測和測距）是一種傳感技術，類似于雷達，但用光而不是無線電波。它利用反射光的原理和精確的時間來測量物體的距離。由于LiDAR高水平的深度和角度分辨率，可實現卓越的深度感知。此外，由于采用紅外光發射器和接收器的有源方法，因此它能夠在所有光照條件下工作。
然而，LiDAR比單純的測距更復雜。它還可用于三維制圖和成像——這使它在工程方面非常有吸引力，也是一項非常有用的實用技術。
光和飛行時間
LiDAR有不同的測距方法，但最簡單易懂的是單脈沖直接飛行時間（dToF）系統。在這里，一個光源（通常是激光）發出一個光脈沖，然后啟動一個計時器。當光脈沖擊中一個物體時，它被反射到通常與激光位于同一位置的傳感器，且計時器停止計時。知道發射脈沖到接收回波之間的時間（t），利用光速常數（c）計算出與目標物體的距離（D）就很簡單了。
圖1：直接飛行時間 (dTOF)測量光到達目標并返回所花的時間
另一種方法稱為間接飛行時間LiDAR（iToF），傳輸的是連續的正弦波，iToF根據發射和反射波形之間的相位差確定飛行時間（t）。
在這兩種方法中，iToF較常見。一般來說，它更適用于短距離應用，和能夠很好地控制環境光照水平的情況。而dToF可用于長距離和短距離應用。此外，它的運行速度較快，可測量多個回波，從而實現對多個物體的探測。
為了使LiDAR系統高效地工作，回波信號必須在系統工作的環境光內可探測到。顯然，這在室內是比較容易的，因為光線可以控制，但LiDAR的許多最令人興奮的應用是在室外，因此有必要提供一個解決方案。
提高信噪比(SNR)
使用ASTM G-173-03太陽輻照度模型，可看出太陽噪聲（光）的峰值出現在波長500到600納米的范圍內，即可見光譜。光譜中近紅外（NIR）部分（約905 nm）的噪聲已降至一半，這意味著這一波長的光更容易被探測到。
圖2：近紅外范圍能以高性價比的元器件提高信噪比
在短波紅外范圍（1550 nm左右）可達到更好的效果，但發射器和探測器更貴，因此近紅外范圍性價比最高。
直觀地看出，簡單地提高發射器的功率可解決信噪比問題，并提高LiDAR系統的精度和范圍，但發出的光可能對人類和動物有害。為此，BS EN 60825-1:2014等國際標準規定了可發射的功率。
由于可用的功率有限，為了增加有效范圍，必須采用其他技術。使用多發射脈沖激光可顯著提高信噪比和范圍，同時保持每個脈沖內的能量較低。在這種方法中，發射多個脈沖，并創建探測到的回波的時間戳直方圖。
圖3：多脈沖dToF使目標從背景噪聲中清晰地分辨出來
生成的直方圖清晰地顯示了在隨機時間探測到的環境光子，并在直方圖峰值兩側形成“本底噪聲”，在直方圖峰值處，大部分回波以相同的時間間隔返回，代表目標物體。
LiDAR的演變
LiDAR技術不斷發展，最近，探測器技術以及用于創建3D地圖的方法都有了進步。
早期的探測器通常是PIN二極管或雪崩光電二極管。這些已被單光子雪崩二極管（SPAD）和硅光電倍增管（SiPM）所取代，它們將密集的SPAD傳感器陣列集成到單個器件中。與早期的方案相比，SPAD和SiPM傳感器提供了低工作電壓、出色的一致性和非常高的增益，還能探測到單光子的光能。
雖然測量遠程目標物體的距離的能力非常有用，但LiDAR的真正優勢在于它能夠創建詳細和高度精確的表面3D地圖——無論是工廠環境中的物體，還是在更大范圍內的一大片地。
通過將LiDAR原理與掃描光電系統結合，可控制光束以創建場景的密集深度點云。這可通過物理旋轉激光發射器以覆蓋場景的所有區域來機械地實現，但這種方式一般體積大，成本高，且在對準方面存在挑戰。
一種更現代的方法是使用準固態系統，如微機電系統（MEMS）微鏡、液晶超表面（LCM）和光學相控陣（OPA）來引導光束穿過系統。該方案幾乎是固態的，因此更可靠，對于長距離應用也很有效。
唯一真正的固態LiDAR測繪方法是使用發射器和傳感器陣列（SiPM或SPAD）并對場景進行閃光。由于發射器的功率限制，閃光照明只適用于短距離或窄視場(FoV)。可以使用多點閃光照明方法，即一個可尋址的發射器陣列(通常是可尋址的垂直腔面發射激光器(VCSEL)陣列)依次照亮場景的不同部分，并與探測器的讀出同步。
LiDAR的應用
LiDAR是一項非常有價值的技術；它適合的應用跨越了許多領域，包括汽車、工業、交通、農業和勘測。
感知車輛行駛路徑中物體的能力使得自適應巡航控制(ACC)等系統得以實現，與前車保持間距，LiDAR將成為未來全自動駕駛車輛的關鍵推動力。
LiDAR系統體積小、重量輕，可由無人機攜帶，這開辟了一種比人工方法更快（因此成本更低）、更精確的大面積勘測方式。其應用幾乎是無限的，包括監測環境影響，如海岸侵蝕、洪水或冰川消融。可迅速而安全地評估自然災害的影響，如火山地震，從而更迅速而有效地提供援助。
農民可利用LiDAR勘測土地，評估農作物的狀況，而公路或鐵路等基礎設施項目則可輕松勘測擬建路線，并繪制進度圖。
靜態LiDAR可安裝在大型容器如料倉或儲罐中，無需接觸內容物就能準確地測量內容物。
傳感器和方案
安森美半導體的RB系列高響應、快速SiPM具有很高的抗溫度波動性。有三種微單元尺寸（10 mm，20 mm或35 mm），每個器件的有源傳感面積為1 mm x 1 mm。這些高增益（高達1.7 x 106）的器件采用小型（1.5 mm x 1.8 mm）封裝。
為了支持剛接觸LiDAR技術的公司或時間緊迫的項目，安森美半導體設計了一個用于工業應用的全面的SiPM dToF LiDAR開發平臺。
該即插即用的平臺結合一個近紅外激光發射器和一個RB系列SiPM探測器，用于單點測距。
圖4：安森美半導體的SiPM dToF LiDAR平臺的原理框圖
圖5：安森美半導體SiPM dToF LiDAR平臺的高級框圖
激光發射器被指定使用1類激光，因而符合所有的眼睛安全標準，同時使工作范圍擴展到23米。通過包含一個簡單易用的圖形用戶界面(GUI)，平臺的配置和監控變得簡單。
一旦開發和調試完成，就可以無縫過渡到制造，因為該成本優化的平臺可隨時大規模部署，且所有必要的制造文件都已準備就緒。
總結
LiDAR是種非常有用的技術，它支持輕松地測距和創建精確而詳細的3D圖。即使功率和激光發射器功率受到安全限制，但通過精心選擇波長和使用多射光脈沖，也可提高信噪比，實現長距測量。
LiDAR技術的應用非常廣泛，未來它將使我們更好地了解我們的世界，同時也使我們的世界更安全。
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