激光雷达 LiDAR

激光雷达是一种远程测量技术。它利用激光脉冲（大多数激光雷达系统都采用这种方式）或激光频率调制来测定距离并扫描周围环境。激光雷达的技术原理基于物理学的基本规律：通过测量激光脉冲从表面反射回来并被探测器接收所需的时间，从而计算出距离。在激光雷达的测量过程中，飞行时间是一个非常重要的参数，它被用来计算激光雷达设备与目标物体之间的距离。在更详细的计算过程中，还需要考虑光波的往返延迟。这种延迟可以通过调节光波的强度、相位或频率来测量。通过这些不同的实现方式，便形成了几种主要类型的激光雷达。这使得激光雷达成为一种既多样化又具有高度可定制性的技术。

根据往返延迟时间的估计方式，激光雷达主要分为三种类型：脉冲式、调幅连续波和调频连续波。脉冲激光雷达的特点是精度令人满意，这得益于单脉冲的高峰值功率，同时对人眼依然安全。通过展宽脉冲带宽，其性能也得到提升，而平均脉冲持续时间仍保持在纳秒量级。脉冲技术既可用于闪光激光雷达，也可用于光束扫描模式。调幅连续波能够达到与脉冲激光雷达相同的精度，但工作距离较短。光束通过改变其振幅或峰值强度进行调制，在探测器端则测量相位差。调频连续波技术一直保持着精度最高的地位，不过仅适用于极近的距离。在这种激光雷达中，波形频率在与外部物体相互作用后受到调制，传感器读取接收信号的干涉图样。如果被测物体正在移动，频率就会发生多普勒频移。在探测器处，接收光与原始的本地频率合并并产生干涉。收集到的频率变化信息能够同时计算出所需的距离和运动速度。在这种情况下，较大的频率带宽对整体性能来说是一个优势。调频连续波激光雷达具有更精细的分辨率和更高的灵敏度，并且相对容易以人眼安全的方式实现。

对于那些可能干扰人们日常生活的应用而言，选择对人类眼睛安全的激光源至关重要。激光的强度和功率必须保持在安全范围内，最好低于毫瓦级别。由于激光在保持高性能的同时还必须符合安全标准，因此它需要产生持续时间极短（几纳秒）但峰值功率极高的脉冲。窄带宽也是个重要特性，因为许多光学效应都取决于入射光的波长。因此，窄带宽能确保激光束的传播更加均匀。在激光雷达测量中，这一点也很重要：可以使用窄带宽滤光片来过滤掉背景光。这样一来，窄带宽激光就能产生更高的峰值功率和强度。这些特性非常重要。激光的发射功率，连同光束的传播方式、直径和发散程度等因素，都会影响激光允许的最大照射强度。考虑到所有这些因素，激光雷达最常使用的波长都位于红外光范围内，具体为 1550nm、850nm、1300nm和 905nm。