激光雷达 LIDAR

2022-11-11 09:21:58 浏览:245

定义

一种用激光脉冲获取3D图像的技术。

激光雷达最初被理解为激光雷达,但现在被视为首字母缩略词,意思是光探测和测距,这有点笼统。 它可用于基于距离测量创建三维图像,例如使用飞行时间方法。 在其他情况下,人们测量其他量,例如空气中物质的浓度或风速。

术语激光雷达的大写在文献中并不一致。 许多作者只是简单地写激光雷达(就像雷达一样),尽管对于首字母缩略词,全大写更为常见。

激光雷达基本工作原理

飞行时间激光雷达

飞行时间激光雷达的基本工作原理基于以下两个思想:

  • 如果激光脉冲以激光束的形式向某个方向发送,并且这些脉冲最终击中某个目标,该目标将光反射或散射回光源,则检测到的该光的时间延迟可用于确定物体的距离(飞行时间法)。
  • 通过在扫描光束方向的同时进行多次此类测量,可以获取3D图像(3D激光扫描)的信息。 图像数据可以用某种计算机(例如用微处理器实现)收集,然后可以在屏幕上显示它们。

对于飞行时间激光雷达,显然需要发射短脉冲的激光源,脉冲持续时间通常为几纳秒或有时<1 ns。 脉冲能量必须足够高,以提供足够强烈的返回信号;它可能受到眼睛安全考虑的限制(见下文)。 发出的光的详细光谱特性通常并不重要。

这种激光雷达接收器使用的光电探测器通常必须高度灵敏,同时速度非常快。 在某些情况下,使用光子计数探测器。 例如,可以使用盖革模式雪崩光电二极管,有时可以使用此类探测器的整个焦平面阵列,原则上可以使用一次激光射击(闪光激光雷达)记录整个二维图像;但是,通常需要对大量镜头的此类图像进行平均。

相干激光雷达

相干公司激光雷达基于光学外差检测。 在这里,弱返回光与基于用于发送光的激光的光的“本振”混合。 外差原理可以大大提高灵敏度,因此相对普通的光电二极管足以实现比直接检测激光雷达更大的检测范围。

发出的光通常是单频信号,在某个时间间隔内具有线性上调频。 由于返回光和同时发射的光之间的频率差随着传播时间的增加而增大,因此测量节拍音符频率可以测量反射产生的距离 - 而无需使用短激光脉冲。 当然,激光的瞬时频率不可能永远增长,而是需要定期复位。 范围模糊结果取决于频率扫描周期。 慢扫描可以实现低距离模糊期,但可能会降低距离精度。 相干激光雷达 他们交替使用不同的扫描周期来获得最佳范围精度和低模糊性的组合。

记录的拍频也会通过目标的纵向运动来修改,或者更准确地说,激光雷达设备与检测到的物体之间的相对速度。 利用多普勒效应进行速度测量的设备称为相干多普勒激光雷达。

由于光学外差检测的原理,相干激光雷达可以更加灵敏,因此可以提供更大的测量范围和/或允许使用更低的激光功率。 特别是在使用半导体激光器时,所需的峰值功率低得多是有利的。 另一方面,需要仔细控制的单频扫描;在这方面,对激光器的要求更高。

对于相干激光雷达,通常将单个探测器与横向扫描设备结合使用。 使用焦平面阵列更直接地收集3D信息是困难的,因为对于每个像素,都需要一个交流放大器和检测电子设备,除非一次只操作一个像素。

其他方面

此外,以下方面可能与应用程序相关:

各种物理过程都会引起空气中的光散射。

  • 光不仅可以被固体物体散射,还可以被例如大气中的微小颗粒散射(瑞利或米散射),甚至在密度波动的清洁空气中散射(瑞利散射)。 (在某些情况下,使用拉曼散射。 这允许人们测量气流,例如风能涡轮机前面的风速和湍流。
  • 激光不仅可以散射,还可以诱导荧光,然后可以检测到。
  • 在大气激光雷达中,可以利用地面反射来测量大气中的光吸收(另见关于激光吸收光谱的文章)。 差分吸收激光雷达(DIAL)利用不同波长的吸收差异。

多普勒频移可以提供大量的额外信息。

  • 可以通过拉曼光谱(拉曼激光雷达)测量物质浓度和温度。

在某些情况下,使用激光雷达获取的数据会与来自彩色相机和雷达等其他来源的数据相辅相成。

激光雷达可以看作是一整类遥感方法;具体应用见下文。

激光雷达设备可以在红外和紫外线之间的不同光谱区域运行。 使用的光学波长可能有多种含义:

请参阅下文有关激光安全的更多信息。

  • 激光安全性:影响眼睛的风险在很大程度上取决于波长。 有些设备基于人眼安全激光器,例如在1.5μm光谱区域,但是在该区域实现高激光性能更具挑战性,并且光电探测器的选择也更加有限。
  • 在某些物质中获得激光诱导荧光或引起拉曼散射可能需要短波长。 此外,原则上,它们允许最高的横向空间分辨率。
  • 通过大气的长距离传输在某些红外光谱区域效果最好。

一些激光雷达设备使用不同波长的激光 - 例如,1064 nm,532 nm和355 nm,从具有倍频和三倍频率的Q开关YAG激光器获得。 然后,他们可以应用不同类型的检测:

  • 所有三种波长的弹性反向散射
  • 来自氮气(空气中最丰富的物质)在 387 nm 和 607 nm 处和水蒸气 (407 nm) 的拉曼移位光
  • 用于测量去偏振比的平行偏振和交叉偏振光元件

由于可以使用不同的工作原理,并且在非常不同的情况下(典型应用见下文),因此激光雷达设备的技术细节差异很大。

激光雷达的激光和光子学技术

激光雷达使用不同种类的激光源,因为不仅脉冲能量、脉冲持续时间和光波长等基本属性可能相关。 例如,对于相干激光雷达,通常需要扫频单频激光器,而对于某些应用,则需要可调谐激光器;仅这样的限制就很容易迫使人们使用不同类型的激光技术。 对于非相干飞行时间激光雷达,还使用专门的优化脉冲高功率激光二极管,产生例如峰值功率为数百瓦的红外脉冲(当用强电流脉冲驱动时)和大约 10 ns 的脉冲持续时间。

对于某些激光雷达应用,人们不直接使用激光器,而是使用用Q开关激光器泵浦的光学参数振荡器。

为了引导激光和收集返回的光,通常需要一个光学望远镜,或者可能两个单独的望远镜。

激光雷达探测器需要既灵敏又快速。

通常,还需要高度灵敏(信噪比足够高)且同时相当快的光电探测器。 在某些情况下,需要使用光电倍增管或雪崩光电二极管进行光子计数,而在其他情况下,灵敏的光电二极管就足够了。 对于光学外差检测,返回光需要与来自激光器的局部振荡器信号叠加。

激光雷达的应用

  • 激光雷达仪器可用于飞机上,以探测远距离大气中的湍流,以便调整飞行路径或警告乘客。
  • 同样,风能涡轮机可以使用激光雷达来优化其运行(通过调整叶片)和/或关闭以避免损坏。
  • 大气激光雷达用于环境监测和研究。 例如,可以检测气体(包括一些痕量气体和污染物)、小颗粒、气溶胶、温度、风和湍流的浓度。
  • 机载激光雷达也可用于安全监控。

激光雷达在自动驾驶汽车方面具有竞争力吗?

  • 在自动驾驶(自动驾驶)汽车中,激光雷达可用于监控周围环境,例如其他车辆、行人、车道标记、道路特征等。 特别是对于长距离,激光雷达比雷达和超声波设备具有实质性的优势,特别是在使用人眼安全激光器时,因为否则可用的光功率水平会受到限制。 激光雷达可以在所有方向上提供相对较高的空间分辨率,并且可以相对不受干扰影响。 甚至在完全自动驾驶汽车实现之前,激光雷达就可用于自适应巡航控制、检测危险和紧急制动。 然而,以合理的成本实现这一目标具有挑战性。
  • 机器人可以将激光雷达用于各种目的,例如检测障碍物。
  • 警察可以使用紧凑型激光雷达测速枪来监控车辆的速度。
  • 大地测量学可以使用环绕地球的卫星或飞机上的激光雷达仪器来完成。 类似的测量和地形测绘应用在地理、林业、农业和考古学中。 例如,人们可以检测植被的某些特性,以优化农业措施。 激光测高法甚至被应用于行星和卫星的航天器上。
  • 激光雷达还用于军事目的,如侦察和导弹导航。

激光安全

激光安全问题可能是某些应用(例如自动驾驶汽车)的严重限制因素。 成本限制可能会抑制人眼安全激光器和相应光电探测器的使用。 由此产生的适用激光强度的严重限制会严重限制可能的性能。

在飞机和卫星上,激光安全不是一个问题。 例如,人们可以在低飞行高度自动停用飞机上的激光雷达设备,从而确保没有人可以靠近到危险的程度。

参考文献

[1] R. T. H. Collis, “Lidar”, Appl. Opt. 9 (8), 1782 (1970), doi:10.1364/AO.9.001782
[2] L. R. Bissonnette, “Sensitivity analysis of lidar inversion algorithms”, Appl. Opt. 25 (13), 2122 (1986), doi:10.1364/AO.25.002122
[3] J. Bösenberg, “Ground-based differential absorption lidar for water-vapor and temperature profiling: methodology”, Appl. Opt. 37 (18), 3845 (1998), doi:10.1364/AO.37.003845
[4] V. Wulfmeyer and C. Walther, “Future performance of ground-based and airborne water-vapor differential absorption lidar. I. Overview and theory”, Appl. Opt. 40 (30), 5304 (2001), doi:10.1364/AO.40.005304
[5] V. Wulfmeyer and C. Walther, “Future performance of ground-based and airborne water-vapor differential absorption lidar. II. Simulations of the precision of a near-infrared, high-power system”, Appl. Opt. 40 (30), 5321 (2001), doi:10.1364/AO.40.005321
[6] W. B. Grant et al., “CO2 DIAL measurements of water vapor”, Appl. Opt. 26 (15), 3033 (1987), doi:10.1364/AO.26.003033
[7] Z. Liu et al., “Estimating random errors due to shot noise in backscatter lidar observations”, Appl. Opt. 45 (18), 4437 (2006), doi:10.1364/AO.45.004437
[8] C. V. Poulton et al., “Coherent solid-state LIDAR with silicon photonic optical phased arrays”, Opt. Lett. 42 (20), 4091 (2017), doi:10.1364/OL.42.004091
[9] J. Zhao et al., “Light detection and ranging with entangled photons”, Opt. Express 30 (3), 3675 (2022), doi:10.1364/OE.435898

方法

作          者: 泮桥成像光电商城

出          处: https://www.ipanqiao.com/entry/1607

版          权:本文版权归泮桥成像光电商城所有

免责声明:本文中使用的部分文字内容与图片来自于网络,如有侵权,请联系作者进行删除。

转          载:欢迎转载,但必须保留上述声明;必须在文章中给出原文链接;否则必究法律责任。

Copyright © 2019-2022 南京超维景生物科技有限公司 版权所有 www.ipanqiao.com苏ICP备20009590号-1
联系我们
立即做合同
微信客服
电话咨询

400-998-9826

17302548620

快速留言

泮桥成像光电商城专业人员会在24小时之内联系您

关闭 提交