什么是激光雷達以及如何使用它？

LiDAR 用于從農業到氣象學、生物學到機器人學、從執法到太陽能光伏部署的各個領域。您可能會在有關天文學和航天的中看到 LiDAR，或者您可能聽說過它在采礦作業中的用途。

LiDAR 是使用光或不可見（例如，紅外）電磁輻射來檢測和測量到物體的距離的實踐。LiDAR 代表光檢測和測距。
您可能以前聽說過 LiDAR，但對它的了解可能并不多。我在本文中的目標是在概念層面上解釋 LiDAR 的工作原理。
激光雷達的應用
LiDAR 經常出現在紀錄片和新聞文章中，因為它在許多科學領域發揮著重要作用。 
LiDAR 用于從農業到氣象學、生物學到機器人學、從執法到太陽能光伏部署的各個領域。您可能會在有關天文學和航天的中看到 LiDAR，或者您可能聽說過它在采礦作業中的用途。
LiDAR 可以對小物件進行成像，例如用于考古學的歷史遺跡或用于生物學的骨骼。另一方面，LiDAR 還可以對非常大的事物進行成像，例如農業和地質景觀。 

吳哥窟的航空激光雷達圖像。圖片由古代探險家提供 。

然后你就有了 LiDAR 系統，可以對移動的物體或可能正在移動的物體進行成像。這些非靜態系統可能成為常見的 LiDAR 形式，因為它們用于軍事系統、測量飛機和原型自動駕駛汽車的機器視覺。
然而，其他形式的 LiDAR 根本不用于對固體表面成像：NASA 在大氣研究中使用 LiDAR，而其他 LiDAR 系統設計用于在水下運行和成像表面。 
顯然，這項技術非常靈活。
與 SONAR 和 RADAR 的相似之處
那么如果LiDAR是LIght Detection And Ranging，那是不是類似于SONAR（Sound Navigation And Ranging）和RADAR（RAdio Detection And Ranging）？是的，有點。要了解這三者有何相似之處，讓我們先談談聲納（回聲定位）和雷達的工作原理。
SONAR 發出已知頻率的強大脈沖聲波。然后，通過計算脈沖返回所需的時間，您可以測量距離。反復這樣做可以幫助您對周圍的環境有良好的感覺。

用于定位海上沉船的聲納成像。圖片由 NOAA 探索與研究辦公室提供。

SONAR 的關鍵要素是聲波，但有許多不同類型的波。如果我們使用相同的原理并將波的類型從聲波更改為電磁波（無線電），就會得到 RADAR（RAdio Detection And Ranging）。
有許多不同類型的雷達使用不同頻率的 EM 頻譜。光只是人眼可檢測到的一個特殊波長范圍，這是 LiDAR 與 RADAR 的區別之一。兩者之間還有其他差異，但我將重點關注空間分辨率作為關鍵差異。
雷達使用大波前和長波長，分辨率很差。相比之下，LiDAR 使用激光（緊密波前）和更短的波長。波長直接決定了成像系統的分辨能力：較短的波長（對應于較高的頻率）增加了分辨能力。

天氣雷達成像捕捉天氣系統和候鳥的移動。圖片由NASA提供。

如果你的波前很大，你不得不想——你測量的距離是多少？
想象一下，在您的下一個家居裝修項目中嘗試使用手電筒測距儀。那個手電筒是測量到光束的距離還是它后面的墻？這太不而不實用。然而，激光測距儀要準確得多。
用像素測量
LiDAR 使用激光來測量距離，但這與激光測距儀沒有任何不同——您將它指向某物并測量距離。但是如果那個距離測量被解釋為單個像素呢？然后，您可以進行多次距離測量并將它們放置在網格中；結果將是一個傳達深度的圖像，類似于黑白照片，其中像素傳達光強度。聽起來很酷，而且很有用，對吧？
但是在我們完全理解這個系統是如何工作之前，我們還有幾個問題需要回答。
我們需要多少像素？
如果我們將 LiDAR 與早期的數碼相機進行比較，我們將需要一到兩個百萬像素（或一到兩百萬像素）。假設我們需要 200 萬個激光器，然后我們需要測量每一個激光器指示的距離，因此需要另外 200 萬個傳感器，然后是電路來進行計算。 
也許使用大量激光并不是的方法。如果我們不嘗試拍攝完整的“照片”，而是像掃描儀那樣操作，會怎樣呢？即，我們是否可以拍攝部分圖片，然后移動像素并再次拍攝圖片？這聽起來像是一種簡單得多的設備，只需一個激光器和一個檢測器即可實現。然而，這也意味著我們不能像用相機那樣拍下即時的“照片”。
我們如何移動我們的像素？
在掃描儀中，物理像素沿著圖像移動。但這在很多情況下并不實用，因此我們可能需要一種不同的方法。
使用 LiDAR，我們正在嘗試拍攝“深度照片”，或者您可以說我們正在嘗試拍攝“3D 模型”。
如果您在數學課上注意力集中，您可能會想起笛卡爾坐標系（X、Y、Z）和球坐標系（r、theta、phi）。我提出這個是因為，如果我們假設 LiDAR 位于球形系統的原點，那么我們只需要知道水平角 (theta)、垂直角 (phi) 和距離 (r) 來構建我們的3D模型。

球坐標系的表示。圖片由Wolfram MathWorld提供。

只有一個，3D 模型將是一個單一的表面。但是如果我們將多個表面映射到一起，就可以得到一個完整的 3D 模型。所以我們需要一個激光器和一個傳感器來使用球坐標系制作我們的圖像。 
一些 LiDAR 系統是移動的，使用 GPS 或其他定位系統將所有讀數一起映射到單個圖像中。這些移動系統仍然使用相同的原理，但它們可能以不同的方式應用。
我們實際上如何快速改變激光的角度？
我們有兩百萬個“像素”要測量。我們怎么可能調整我們的激光來測量它們呢？
一天只有 86,400 秒，因此用任何超過千分之一秒的時間來測量和調整可能太長而不實用。
那么他們是如何快速調整像素的呢？關鍵是他們永遠不會停止調整它，使用以非常和眾所周知的速度旋轉的旋轉鏡或棱鏡。激光被反射鏡或棱鏡反射，因此其位置不斷變化，但變化速度已知。這使得調整我們的角度之一（phi 或 theta）以掃描我們的圖像變得非常快速和容易。為了掃描另一個角度，我們可以使用更慢的系統，例如精密步進電機。
但我們還有一個主要問題需要解決。
我們如何測量距離？ 
有多種使用激光測量距離的方法，具體取決于系統試圖實現的目標。并且單個系統可能同時使用多種方法來提高準確性。所有方法都需要非常精密的設備。 
容易理解的是飛行時間（ToF）。這也常被列為使用激光測量距離的方法。如果您計算光傳播 2 毫米所需的時間，即 1 毫米分辨率所需的距離，您得到的時間為 6.67 皮秒。這需要一些非常的設備來測量，但可以付出一定的代價。
另一種方法是三角測量，它使用第二個旋轉鏡來重定向接收器信號；通過測量角度的變化，就可以得到距離。三角測量可能不適用于長距離，并且旋轉鏡的使用可能會使系統復雜化。
，通過調制激光，可以測量激光調制中的相移。由于調制的周期性特性，它本身不能用于測量距離。相反，它會生成一個可能的距離列表，除了另一種方法外，還可以使用這些距離來提高準確性。

一群人的 LiDAR 渲染圖。圖片由NASA提供。

LiDAR 激光器
要談的一件事：激光器本身。盡管名稱如此，但大多數 LiDAR 系統使用紅外線而不是可見輻射。
由于電磁輻射與物質的相互作用受波長控制，因此某些波長更適合某些應用。有一天，微波 (maser) 或 x 射線 (xaser) 激光器可用于構建可透過多種材料成像的 LiDAR 系統，從而大大提高其實用性。