“你是我的眼”——激光雷達(dá)主動三維成像系統(tǒng)

劉博 姜朔

隨著人工智能的發(fā)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(huán)境，實現(xiàn)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(dá)。顧名思義，激光雷達(dá)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(shè)備。與微波雷達(dá)相比，激光雷達(dá)測距精度更高，并且可以看到物體的細(xì)節(jié)特征，因而在生活中有著非常廣泛的應(yīng)用。

20世紀(jì)六七十年代，發(fā)達(dá)國家就已經(jīng)開始了激光雷達(dá)在三維成像領(lǐng)域的研究。如果把激光雷達(dá)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(yīng)著三維成像激光雷達(dá)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(yuǎn)的目標(biāo)進行測量。很遠(yuǎn)能有多遠(yuǎn)呢？目前人類歷史上最遠(yuǎn)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(jīng)多次成功實現(xiàn)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(fā)展十分成熟的測距體制，它不僅可以用來對遠(yuǎn)目標(biāo)探測，還可以用在數(shù)千米甚至數(shù)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(dá)到厘米量級，這對大部分的應(yīng)用場景已經(jīng)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(yīng)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(jīng)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(fā)射的是經(jīng)過了調(diào)制的連續(xù)激光信號，通過測量回波信號與發(fā)射信號之間的相位差來確定目標(biāo)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(dá)到毫米級。但是由于相位測距發(fā)射的激光為連續(xù)波，這使得它的平均功率遠(yuǎn)低于脈沖激光的峰值功率，因而它無法實現(xiàn)對遠(yuǎn)距離目標(biāo)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(diào)頻連續(xù)波激光測距法

如果目標(biāo)是運動的，除了距離我們還想知道目標(biāo)的速度，那該怎么辦呢？隨著航天技術(shù)的發(fā)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(biāo)的距離信息，若要獲得其速度至少需要兩次測量結(jié)果并結(jié)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(yuǎn)低于激光多普勒測速雷達(dá)的測速精度。

調(diào)頻連續(xù)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(yīng)用于相對運動速度較高的目標(biāo)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(guī)避技術(shù)（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(jīng)相當(dāng)成熟，在地形測量、工程建設(shè)，汽車導(dǎo)航領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。它由單點激光測距配合快速光束掃描器件來實現(xiàn)對目標(biāo)上各點距離信息的獲取，再將這些距離信息與該點對應(yīng)光束指向的水平角和俯仰角結(jié)合，得到目標(biāo)的距離-角度-角度圖像，又稱為三維圖像。

NASA為測量冰蓋質(zhì)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(dá)成像系統(tǒng)。ICESat于2003年1月13日發(fā)射成功，它在激光測距的基礎(chǔ)上，利用衛(wèi)星平臺的運動，實現(xiàn)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(qū)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(dá)往往采用發(fā)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(zhuǎn)的多線束激光雷達(dá)為主要產(chǎn)品，掃描線數(shù)達(dá)到了16線、32線及64線，是機械旋轉(zhuǎn)加多線掃描成像的典型代表，技術(shù)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(biāo)的成像方式，有沒有其他更加便捷，“啪”的一下就能得到目標(biāo)三維信息的成像方式呢？有！面陣式激光成像就是為此產(chǎn)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(fā)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(biāo)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(biāo)。同時，因為沒有掃描結(jié)構(gòu)，所以面陣式系統(tǒng)整機結(jié)構(gòu)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(yīng)的距離信息。20世紀(jì)90年代后期，麻省理工學(xué)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(dá)的探測器，其陣列的規(guī)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(biāo)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(dá)可以快速獲取目標(biāo)三維圖像，有效地識別林中隱蔽的坦克。

2018年，中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所提出了基于偏振調(diào)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(tǒng)的探測靈敏度。同時，利用偏振調(diào)制技術(shù)從EMCCD拍攝圖像的灰度信息得到脈沖飛行的時間，從而實現(xiàn)距離的測量。該系統(tǒng)僅需發(fā)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(tài)目標(biāo)的三維成像。

面陣三維成像雖然成像速度快，不需要掃描結(jié)構(gòu)，但是它將系統(tǒng)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(tǒng)的測距范圍遠(yuǎn)小于單點掃描測距系統(tǒng)，一般僅適用于較近距離的成像探測。

激光雷達(dá)三維成像系統(tǒng)與傳統(tǒng)的被動相機相比不僅可以獲得目標(biāo)的強度信息，還有更加豐富的距離信息；與微波雷達(dá)成像系統(tǒng)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(xiàn)代成像領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著現(xiàn)代科技和社會的發(fā)展，相信三維成像激光雷達(dá)在未來會有更加廣闊的應(yīng)用前景！