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激光雷达:光探测和测距

用脉冲激光测量物体的距离。
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描述

光探测和测距(激光雷达)使用脉冲光来测量到物体的距离。它有一系列的应用,包括汽车传感(在这种情况下,它通常与雷达和摄像头配对),地理测绘和生物识别。从红外线到紫外线的不同波长用于不同的应用,例如用于地形测绘的近红外线和用于测量海底和河床海拔的穿水绿光。激光雷达数据是一个点云,表明光在空间中的哪个点被反射回光电探测器。

激光雷达的概念可以追溯到20世纪30年代,第一个使用该原理的系统是在1961年开发的。它在太空探索方面有着悠久的历史,在阿波罗15号任务期间使用激光雷达系统绘制月球表面,最近在火星独创性直升机上使用。

激光雷达单元是一个积极发展的领域,有很多创业活动。从早期自动驾驶试验中使用的大型车顶旋转镜,到更小、更便宜的基于mems的固态应用,汽车应用中使用的旋转镜的尺寸也在不断缩小。提高距离和分辨率是另一个重点。

在汽车应用中,激光雷达面临着一些挑战。它不能穿透一些天气的影响,如大雾、雨或雪。然而,与其他传感器相比,它确实提供了更详细的3D扫描。出于这个原因,它经常与雷达或相机配对,它们各有优缺点。(将这些不同形式的信息组合成可操作的东西被称为传感器融合)。

激光雷达的工作原理

测量距离有几种不同的方法。这一部分来自汽车激光雷达技术竞争激烈布莱恩·莫耶著。

飞行时间当前位置探测物体距离最明显的方法(正式称为“测距”)是测量光从激光雷达激光到光电探测器往返所需的时间。这被称为飞行时间(ToF)。调制激光雷达脉冲有助于从可能同时接收到的所有其他环境光中提取反射光。

直接ToF只是启动一个非常快速的计数器来检测何时返回信号到达。然而,这些时间都在皮秒范围内,这使得在硅中很难做到。

相反,可以测量返回信号与原始信号的相位。这给出了一个距离,直到你超过360度的相移。在这一点上,距离是模糊的,因为你会在波长的每一个倍数处看到相似的相移。这种方法被称为间接飞行时间(iToF),它涉及固定射频频率的调制连续波。

调频连续波另一种方法是调制信号的频率而不是振幅。反射中的相位和频率信息给出了距离,而没有模糊的范围。这里是FMCW。另外,你可以得到物体的速度。

然而,FMCW的一个关键方面是频率不在RF范围内。它们在光学范围内。这使得生成和检测变得更加复杂,需要更多的特殊材料,如磷化铟,以及更复杂的电路。虽然这是一项很有前途的技术,但目前它比其他替代品更大、更昂贵,这意味着它只能用于其他技术无法使用的地方。

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