“你是我的眼”——激光雷達主動三維成像系統

劉博 姜朔

隨著人工智能的發展，汽車自動駕駛不再是想象中的場景，你知道汽車是如何看清周圍環境，實現自主駕駛的嗎？這就不得不提到機器人的“眼睛”—三維成像激光雷達。顧名思義，激光雷達就是一種借助激光對物體距離進行測量的主動探測遙感設備。與微波雷達相比，激光雷達測距精度更高，并且可以看到物體的細節特征，因而在生活中有著非常廣泛的應用。

20世紀六七十年代，發達國家就已經開始了激光雷達在三維成像領域的研究。如果把激光雷達對物體的成像比作盲人摸象，那么我們可以把“摸象”的過程分成兩步：首先是知道“象”的位置和距離，然后通過在“象”身上不斷摸索來確定“象”的樣子。這也就對應著三維成像激光雷達工作的兩大部分：激光距離測量過程和激光三維成像過程。

激光測距里的“千里眼”—脈沖激光測距法

脈沖激光具有峰值功率大的特點，這使它能夠在空間中傳播很長的距離，所以脈沖激光測距法可以對很遠的目標進行測量。很遠能有多遠呢？目前人類歷史上最遠的激光測量距離是地球和月亮之間的距離，所采用的方法就是脈沖激光測距法。自2019年6月以來，我國天琴計劃團隊已經多次成功實現地月距離的測量，通過對脈沖激光飛行時間的精確計時，得到地月距離在35.1萬千米到40.6萬千米（橢圓軌道）之間波動。

脈沖激光測距是一種發展十分成熟的測距體制，它不僅可以用來對遠目標探測，還可以用在數千米甚至數十米測量場景下。目前的汽車自動駕駛中也大多采用這種方法，其測距精度可以達到厘米量級，這對大部分的應用場景已經足夠。

“明察秋毫”的相位激光測距法

一些對測距精度要求較高的應用場景，如“空間交匯對接”中最后的接近段等，厘米級的測距精度已經不能滿足要求，這時候需要用相位激光測距的方法來測量。

相位激光測距發射的是經過了調制的連續激光信號，通過測量回波信號與發射信號之間的相位差來確定目標的距離。與脈沖激光測距相比，相位激光測距法有更高的測距精度，可以達到毫米級。但是由于相位測距發射的激光為連續波，這使得它的平均功率遠低于脈沖激光的峰值功率，因而它無法實現對遠距離目標的探測。我們生活中常用的手持式激光測距儀大多采用相位激光測距的方法。

“追著你測”的調頻連續波激光測距法

如果目標是運動的，除了距離我們還想知道目標的速度，那該怎么辦呢？隨著航天技術的發展，保證航天器能夠安全軟著陸成為一個重要的問題。單次脈沖激光測距和相位激光測距法只能獲得目標的距離信息，若要獲得其速度至少需要兩次測量結果并結合兩次測量的時間間隔來計算。這樣計算出來的平均速度的精度遠低于激光多普勒測速雷達的測速精度。

調頻連續波激光測距方法可以解決這個問題，它不僅可以測距，還可以測速，因此可以應用于相對運動速度較高的目標測距。美國國家航空航天局（NASA）于2006年提出的用于重返月球和探測火星的自主著陸和障礙規避技術（ALHAT）正是采用了這種測距方法，ALHAT于2008年和2010年進行了飛行試驗，取得了不錯的效果。

“讓激光動起來”的掃描三維成像

掃描式激光成像方法目前已經相當成熟，在地形測量、工程建設，汽車導航領域有著非常廣泛的應用。它由單點激光測距配合快速光束掃描器件來實現對目標上各點距離信息的獲取，再將這些距離信息與該點對應光束指向的水平角和俯仰角結合，得到目標的距離-角度-角度圖像，又稱為三維圖像。

NASA為測量冰蓋質量水平、冰蓋高度和海冰厚度以及陸地地形和植被特征等研制了ICESat星載激光雷達成像系統。ICESat于2003年1月13日發射成功，它在激光測距的基礎上，利用衛星平臺的運動，實現對地表的單點掃描成像。在軌工作7年后，ICESat于2010年完成了對地球表面絕大部分地區的激光測繪工作。

掃描三維成像也被廣泛用于汽車自動駕駛。為了提高掃描的速率，市面上的車載激光雷達往往采用發射激光陣列的形式進行掃描成像，這也被稱為多線束成像。其中Velodyne公司以360°旋轉的多線束激光雷達為主要產品，掃描線數達到了16線、32線及64線，是機械旋轉加多線掃描成像的典型代表，技術較為成熟。

“一眼就能看穿你”的面陣三維成像

除了通過逐點掃描目標的成像方式，有沒有其他更加便捷，“啪”的一下就能得到目標三維信息的成像方式呢？有！面陣式激光成像就是為此產生的一種快速成像方式。相比于掃描式激光成像需要逐點掃描測距的方式，面陣式激光成像僅需發射一次激光脈沖即可以得到一整幅三維圖像。如果把掃描成像的方式比作用手指摸索目標全貌，那么面陣三維成像就像是用巨大的手掌直接覆蓋目標。同時，因為沒有掃描結構，所以面陣式系統整機結構更加緊湊，體積更小。按照探測器的不同，面陣三維成像大致可以分為：APD陣列和CCD相機兩種探測方式。

APD陣列的每個像元都是一個單點激光測距的單元，它能夠直接給出與其對應的距離信息。20世紀90年代后期，麻省理工學院林肯實驗室（MIT/LL）用蓋革模式下的雪崩光電二極管焦平面陣列（GM-APD FPAs）作為面陣三維成像激光雷達的探測器，其陣列的規模日益增大，從4×4、8×8到128×32乃至256×256。2003年MIT/LL對地面目標進行了機載三維成像實驗和機載植被穿透實驗，實驗表明采用焦平面探測器的面陣式三維成像激光雷達可以快速獲取目標三維圖像，有效地識別林中隱蔽的坦克。

2018年，中國科學院光電技術研究所提出了基于偏振調制的激光三維成像方法，利用EMCCD相機作為探測器，提高了系統的探測靈敏度。同時，利用偏振調制技術從EMCCD拍攝圖像的灰度信息得到脈沖飛行的時間，從而實現距離的測量。該系統僅需發射一次脈沖即可獲得一幅三維圖像，因而可以用于高速運動平臺或高動態目標的三維成像。

面陣三維成像雖然成像速度快，不需要掃描結構，但是它將系統接收的回波功率平均分布到每個探測像元上，探測像元越多，分散到每個像元上的回波功率就越低，因此面陣成像系統的測距范圍遠小于單點掃描測距系統，一般僅適用于較近距離的成像探測。

激光雷達三維成像系統與傳統的被動相機相比不僅可以獲得目標的強度信息，還有更加豐富的距離信息；與微波雷達成像系統相比又具有全天時、測量精度高和分辨率高的特點，因而在現代成像領域發揮著越來越重要的作用。隨著現代科技和社會的發展，相信三維成像激光雷達在未來會有更加廣闊的應用前景！