3D激光雷达的应用
- 2020/2/19 14:09:55 16255
- 来源：传感器专家网
历经40余年的发展，激光雷达技术已从初的激光测距技术，逐步发展了激光跟踪、激光测速、激光扫描成像、激光多普勒成像等技术，因此出现了各种不同种类的激光雷达，被广泛应用于各个领域。激光雷达不只为机器人和无人驾驶而生，它还被广泛应用于VR/AR、智慧交通、3D打印、医学等领域。
1、自动驾驶
近几年无人驾驶非常热门，而激光雷达可谓是无人驾驶领域中重要的环节。无人驾驶汽车是通过车载传感系统感知环境，自动规划行车路线并控制车辆到达预定目标的智能汽车。
在无人车领域，激光雷达主要以多线数为主，主要是帮助汽车自主感知道路环境，自动规划行车路线，并控制车辆到达预定的目标。激光雷达是怎么帮汽车识别路口与方向呢？激光雷达使用的技术是飞行时间，就是根据激光遇到障碍物后的折返时间，计算目标与自己的相对距离。激光光束可以准确测量视场中物体轮廓边沿与设备间的相对距离，这些轮廓信息组成所谓的点云并绘制出3D环境地图，精度可达到厘米级别，从而提高测量精度。
目前，激光雷达的应用囊括了无人驾驶的定位、路沿/可行驶区域检测、车道标识线检测、障碍物检测、动态物体跟踪、障碍物分类识别等功能模块。
2、机器人
自主定位导航是机器人实现自主行走的技术，不管什么类型的机器人，只要涉及到自主移动，就需要在其行走的环境中进行导航定位，但传统的定位导航方法由于智能化水平较低，没有解决定位导航的问题，直至激光雷达的出现，在很大程度上化解了这个难题。激光雷达又被称为机器人的眼睛。
机器人采用的定位导航技术是以激光雷达SLAM为基础，增加视觉和惯性导航等多传感器融合的方案帮助机器人实现自主建图，路径规划、自主避障等任务，它是目前性能稳定、可靠性强的定位导航方法，且使用寿命长，后期改造成本低。
扫地机器人是目前单线激光雷达应用广泛的领域，激光雷达配合slam算法，可以让扫地机器人在房间里实现智能清扫，清扫的过程中绘制地图，实时传输到手机APP，就算用户不在家，也可以通过手机APP查看清扫情况，以及安排其他地方清扫。
3、无人机
机载激光雷达是一种安装在飞机上的机载激光探测和测距系统，可以量测地面物体的三维坐标。上世纪七十年代，美国航天局开始研发的LiDAR测绘技术机载激光扫描，并且发展速度飞快，在20世纪末期开始商业化。
目前，激光雷达在低空飞行直升机障碍物规避方面已进入实用阶段，在其他军事应用研究领域也日趋成熟。直升机在进行低空巡逻飞行时，极易与地面小山或建筑物相撞。为此，研制能规避地面障碍物的直升机机载雷达是人们梦寐以求的愿望。目前，这种雷达已在美国、德国和法国获得了成功。
美国研制的直升机超低空飞行障碍规避系统，使用固体激光二极管发射机和旋转全息扫描器可检测直升机前很宽的空域，地面障碍物信息实时显示在机载平视显示器或头盔显示器上，为安全飞行起了很大的保障作用。
4、VR/AR
VR/AR也是近几年火起来的，市场前景可观。VR一体机、智能眼镜等产品已经面市，AR眼镜、AR头显的应用也是非常之广。
在用到AR头显进行的游戏中，运用的空间感知定位技术里面会用到激光雷达和许多配套的光学传感器，通过SLAM技术(即时定位与地图构建)，精准定位自己在三维空间中的位置，增强在游戏中的真实体验感。
5、3D打印
在3D打印里面也会有用到激光雷达的地方，如之前很火的Printoptical3D打印技术本质上是一种“从CAD设计到光学部件”的一站式技术，其打印出来的光学部件不需要进行像抛光、研磨和着色这样的后处理。
这种技术主要基于成熟的宽幅工业喷墨打印设备，通过紫外线固化的透明聚合物液滴喷射出来，然后被集成在打印头上的强紫外线灯固化，终可以形成各种各样的几何形状，激光雷达在这里面扮演者测量、监控等角色。
6、智慧城市
随着大城市人口的不断增长，城市的智能化建设也变得越发重要。信息技术、传感技术、通信技术等多种技术在智慧城市建设领域有着广泛的应用。
例如用于交通管制。激光雷达可用于信号灯控制机即时感应控制、自适应控制和绿波带控制，也是未来道路协同的基础。
激光雷达用于港口的交通管理具有相当的优越性,用扫描激光雷达可以描绘出港口和船只来往的高分辨率图像,提供显示和观测,再把海面航道叠加在显示器上,从而显示出船只的来往情况。船舰上装配有无线电通信设备,当发现一只船已偏航,可能与其他船发生碰撞时,交通管理中心会向这艘船发出指令信号,使它回归原来的航向,从而减少了海上事故的发生。
激光雷达在公路交通管理中也发挥重要作用。“远程”雷达可用于确定后面车辆的时速,在并道或拐弯时,驾驶员就可凭此判断是否需要减速。交通管理部门已经把这种技术应用于高速公路的监视中,可以借此看到公路上的车流量和拥堵情况以及行驶中的各种车辆的大小。另外,激光雷达与数字计算机相结合可应用于空中交通管制,会提高分辨率和数据率,显着改善机场的技术工作。
7、医学
激光雷达技术在医学方面有很多应用，譬如，光学低相干断层扫描，这个技术起源于激光反射仪在眼科中研究眼睛结构的三维复原方面的广泛应用，实现对血管的三维内窥镜研究，扩展到多普勒三维测速仪。
再比如，美国一个国家实验室开发出了一种集成激光和雷达系统的系统，这种系统可以减轻烧伤病人的痛苦。研究人员希望这种同频连续波激光雷达映射系统，可以从病人身体上去除坏死的皮肤和肌肉。这种新系统可以对烧伤病人的体表组织进行三维的激光雷达定位探测，以确定损害程度。利用探测定位结果，激光可以自动除去坏死的组织以利于新组织生长。
8、军事
中国的攻击激光雷达已经相当的先进，包含着世界的五大核心技术：激光材料研究的突破、激光辐射材料物理机理及成像图谱研究的突破、一次性快速跟踪定位控制技术的突破、高密度能量可逆转换载体材料的突破、激光成像技术的突破。
除此之外，在水雷探测激光雷达、化学试剂探测激光雷达、大气监测激光雷达、生化陆战激光雷达等方面也有很大的成就。
比如气体探测方面。激光雷达通过射向大气中的激光与大气中的气溶胶及大气分子的作用，产生散射，探测器接收散射波并经分析、处理，从而可以检测大气的湿、温、风、压等基本参数，探测紊流，实时测量风扬起乃至大气中的生物战剂。譬如德国研制的一种连续波CO2激光器，能发出40个不同频率的激光波，根据吸收光谱学的原理可探测和识别9m-11m波段光谱能量的化学战剂。
9、海洋探索和渔业资源监测
激光雷达与海洋生物相关的应用主要体现在渔业资源调查和海洋生态环境监测两方面。前者常采用蓝绿脉冲光作为激发光源，通过对激光回波信号的识别提取以获得鱼群分布区域和密度信息，结合偏振特征分析可对鱼群种类进行识别；后者常采用海洋激光荧光雷达，通过对激光诱导目标物发射的荧光等光谱信号的探测分析以获得海洋浮游生物及叶绿素等物质的种类和浓度分布信息。
近年来，环境问题广受大家关注，而对海洋环境的保护已成共识，海洋激光雷达作为一种先进的海洋探索与监测手段，已经成为主流。
10、险情预报
激光雷达技术能够精密测量角度和距离,且能以很高的精度确定垂线和局部垂线,因此它在测绘中非常有用。通过定位雷达设备观测现有卫星的后向发射器目标及与地球有关的卫星距离变化,可以监测与地质结构漂移有关的地质物理运动,进行地震预报。
不同种类的大气颗粒物与激光发生的散射现象不同,利用激光雷达监测系统有效区分由沙尘暴引起的沙尘颗粒物和其他大气颗粒物,并且通过研究沙尘暴的起源、传输途径、时空分布特点,能有效对沙尘暴进行预报、监测,采取相宜的措施阻断沙尘暴的传播路径,有效降低沙尘暴造成的灾害程度,同时对环境的保护提出积极的措施。
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