雷达探测与成像前沿技术（全面激光雷达探测及三维成像技术进展）

雷达探测与成像前沿技术（全面激光雷达探测及三维成像技术进展）传统雷达技术利用无线电波的方法发现目标并测定其空间位置，其原理是雷达设备的发射机通过天线把电磁波能量射向空间某一方向，电磁波遇到物体将会发生反射；雷达天线收集被反射的电磁波，送至接收设备进行处理，提取有关该物体的某些信息。雷达可谓是千里眼和顺风耳，使得人们能发现数千米之外的目标。自二十世纪六七十年代起，随着激光技术和探测器件的发展，激光雷达技术应运而生。什么是激光雷达？据MarketsandMarkets发布的最新2024年激光雷达市场的全球预测研究报告，激光雷达市场规模预计将从2019年的8.44亿美元增长到2024年的22.73亿美元，2019年－2024年的复合年增长率为18.5％。激光雷达市场前景依然可期，下文小光就带大家一起了解激光雷达的原理、激光测距及三维成像技术分类等。

作者

刘博*、于洋、姜朔、郭广盟

中国科学院光电技术研究所

据MarketsandMarkets发布的最新2024年激光雷达市场的全球预测研究报告，激光雷达市场规模预计将从2019年的8.44亿美元增长到2024年的22.73亿美元，2019年－2024年的复合年增长率为18.5％。

激光雷达市场前景依然可期，下文小光就带大家一起了解激光雷达的原理、激光测距及三维成像技术分类等。

什么是激光雷达？

传统雷达技术利用无线电波的方法发现目标并测定其空间位置，其原理是雷达设备的发射机通过天线把电磁波能量射向空间某一方向，电磁波遇到物体将会发生反射；雷达天线收集被反射的电磁波，送至接收设备进行处理，提取有关该物体的某些信息。雷达可谓是千里眼和顺风耳，使得人们能发现数千米之外的目标。自二十世纪六七十年代起，随着激光技术和探测器件的发展，激光雷达技术应运而生。

激光雷达是一种以激光为发射源，可以精确、快速获取目标三维空间信息的主动探测技术。通过将激光扫描系统、卫星定位系统和惯性导航系统的结合，激光雷达技术可获得目标的三维立体图像，并具有快速、高效和精准的显著优势，被广泛应用于军事、航空航天以及民用三维传感等领域。与普通微波雷达相比，激光雷达技术具有以下优点：

• 可以获得极高的角度、距离和速度分辨率，因此可以利用距离—多谱勒成像技术来获得目标的清晰图像；
• 隐蔽性好、抗有源干扰能力强，激光具有直线传播、单色性好、方向性强、光束窄等特点，只有在其传播路径上才能接收到，因此敌方截获非常困难，不易受激光干扰信号影响；
• 低空探测性能好，相较于微波雷达的低空探测盲区，激光雷达对只有被照射的目标才会产生反射，不存在地物回波的影响；
• 体积小、质量轻，通常普通微波雷达的体积庞大，整套系统质量数以吨记，而激光雷达发射望远镜的口径一般只有厘米级，整套系统的质量最小的只有几百克，这也使得机载、车载激光雷达具有广阔的应用前景。

1960年美国休斯飞机公司的科学家梅曼研制出了第一台激光器，1961年发展出了第一台军用激光测距仪，进而激光雷达由最初的激光测距逐步发展成为现在的激光测速、激光跟踪和激光成像技术。激光雷达三维成像系统按照成像体制可以分为扫描式成像系统和面阵成像系统两种。在对激光成像体制探讨之前，有必要对激光测距的基本原理进行了解。

常见的激光测距技术及性能

直接脉冲飞行时间探测

直接脉冲飞行时间（Time of Flight，ToF）探测顾名思义就是直接测量激光脉冲从发射到经过目标散射后返回雷达的往返时间 t，已知激光在大气中的传输速度c，得到被测目标的距离 r = ct/2，如下图所示。

激光雷达探测示意图

根据雷达系统选择线性探测器或者单光子探测器，又可以将直接脉冲测距技术细分为线性探测和光子计数探测。线性探测模式下，探测器的电脉冲响应与入射光强呈线性关系，每一发激光脉冲都能获得一个随时间变化的回波波形，能够获得更为丰富的目标信息。而在光子计数探测模式下，探测器工作在盖革模式，具有单光子级灵敏度，一个信号光子即能触发一次电脉冲响应，但此时探测器只能响应回波信号的有无，不能提供信号的强度信息。对于探测灵敏度极高的光子计数探测激光雷达，也称为“单光子”探测激光雷达。

线性探测 VS 光子计数探测

幅度调制连续波探测

幅度调制连续波(AMCW)激光雷达一般又被称为相位式激光雷达，与直接脉冲探测不同，其发射的是连续激光信号，并对激光发射信号的幅值进行调制，通过检测回波信号与发射信号之间的相位差来进行测距。如下图所示，当正弦信号的调制频率为 f 时，可以测到发射信号与接收信号的相位差为

因此，目标的距离即为：

幅度调制连续波探测原理

频率调制连续波探测

频率调制连续波(FMCW)探测是20世纪末发展的一种较新的测距体制。它调制的是发射激光的光频率(波长)，可以避免幅值调制带来的发射功率损失。对于频率调制激光雷达，由于回波信号与发射信号存在时间差 t，将回波信号与本振信号进行混频后，通过平衡探测器就可以得到他们的差频信号：

其中：r 为目标距离，B 为调制带宽，T 为调制信号的周期。

当对发射的信号进行对称三角波线性调频时，可以同时获得被测物体的距离和速度信息。

表 常见激光测距技术性能比较

激光雷达三维成像技术分类及其应用

激光三维成像可以理解为是对每个三维空间像素点的激光测距，在单点激光测距的基础上，对每个测距点的方位信息同步进行测量，如方位角-俯仰角-距离、距离-速度-强度，并将数据以图像的形式显示，即可实现三维成像。而方位信息的获取可以通过单点扫描和面阵器件成像两种方式。

扫描式三维成像激光雷达

扫描式三维成像激光雷达由单点激光测距系统配以光束扫描装置构成，是目前发展相对成熟的三维成像激光雷达技术。扫描式激光雷达要求实现每个点的快速测距，因此大多采用直接脉冲探测的方式。扫描装置的作用是控制雷达光轴指向不同方向，依次测量目标上各点的位置信息并绘制三维图像。

目前，可用于激光雷达系统的扫描方式中较为成熟的是机械式扫描，主要有摆镜扫描、万向节扫描、转镜扫描、双光楔扫描等类型，通过电机驱动镜面转动，并利用几何光学的原理实现光束的偏转，具有大扫描视场和高扫描效率，是近些年最常见、应用最广泛也是最成熟的成像激光雷达扫描方式。

微机电系统MEMS扫描是最新发展的一种扫描方式，其通过微型反射镜的快速振动来实现光束扫描，扫描速度较传统的机械扫描可以大幅提高，同时很好地克服了机械扫描系统体积大的缺点，可以实现系统的小型化，但是目前仍存在接收光路较为复杂，微振部件影响系统使用寿命的缺陷。

对于MEMS扫描方式来说，目前最大的问题是，若采用收发同轴扫描的方式，则受微型反射镜尺寸的限制，其接收光学口径较小，探测距离受限，而若采用发射扫描、大视场接收的方式，则背景噪声过强，同样导致探测距离受限。

MEMS微镜扫描

近年来光学相控阵技术(optical phase array，OPA)的发展为激光发射光束的快速扫描提供了一种新的手段，相控阵发射器由若干发射接收单元组成阵列，通过改变加载在不同单元的电压，进而改变不同单元发射光波特性（如光强、相位），实现对每个单元光波的独立控制，通过调节从每个相控单元辐射出的光波之间的相位关系，在设定方向上产生互相加强的干涉从而实现高强度光束，而其它方向上从各个单元射出的光波彼此相消，因此，辐射强度接近于零。组成相控阵的各相控单元在程序的控制下，可使一束或多束高强度光束的指向按设计的程序实现随机空域扫描。然而激光雷达除发射外还需对回波信号进行同步接收，目前技术上还有待成熟。

扫描成像激光雷达从搭载平台来看主要分为星载扫描成像激光雷达、机载扫描成像激光雷达、车载成像激光雷达等。

（1）星载扫描成像激光雷达

星载扫描成像激光雷达主要用于空间交会对接、飞行器的导航着陆以及星载对地三维成像等。我国的空间交会激光雷达虽然起步较晚，但发展迅速，由中国科学院光电技术研究所和中国电子科技集团27所联合研制的激光雷达已多次成功应用于我国空间站和神舟系列飞船的交会对接，技术指标已达国际领先水平。“嫦娥一号”探月卫星上搭载了由中科院上海技术物理所和中科院上海光学精密机械研究所研制的单激光束激光雷达。

“嫦娥一号”探月卫星上搭载的激光雷达系统与月球地形模型图

激光雷达与成像光谱技术、合成孔径雷达（SAR）技术一起被称为最核心的对地观测信息获取技术，激光雷达可搭载于卫星之上可用于全球高精度数字地形模型（DEM）的测绘。典型的如美国国家航天局(NASA)为了发展地球观测系统，测量冰盖质量平衡、冰盖高度和海冰厚度云和气溶胶高度，以及陆地地形和植被特征等而研制的ICESat和ICESat2星载激光雷达。为了实现更高的横向测量精度，NASA 正在研制LIST(LiDAR surface topography)雷达系统。下图为 NASA 星载激光雷达系统发展路线图。

NASA 星载激光雷达系统

（2）机载成像激光雷达

将成像激光雷达搭载于飞行器上还可以快速获取局部地区高精度的数字高程数据或数字表面数据，同时通过和多光谱、超光谱等二维光学影像结合，可大大提高目标识别的效率和准确性。机载扫描成像激光雷达与传统的测量方法相比，具有生产数据外业成本低及后处理成本低的优点，主要应用于地形测绘、电力巡线、水下探测、遮蔽目标探测等领域。按照应用领域可分为机载测绘系统、机载避障系统、机载水下目标探测系统等。其中奥地利的Riegl、瑞士的 Leica、加拿大的 Optech 和国内的海达数云、北科天汇等公司，已经有许多定型的商业化产品。

机载测绘系统源自1970年美国航天局（NASA）的研发，将其安装在高性能飞机或无人机上在待侦察地区的上空飞行，测出地表及树顶的高度模型，其高度自动化及精确的观测成果使其成为发展迅速的立体测量工具，下图为激光雷达获取的地形图。

激光雷达在测绘领域的应用

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，机载避障系统可以将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，比如德国戴姆勒·奔驰宇航公司研制的障碍探测激光雷达具有1.54 μm成像能力，视场为32度×32度，可以探测300-500 m距离内直径1 cm粗的电线。

机载水下目标探测系统相对于动辄几百公斤甚至几十吨的声纳系统而言具有轻便和精度高的特点，利用波长为0.46 µm~0.53 µm 的蓝绿激光能穿透几百到几千米的海水的特性可对水中目标进行警戒、搜索、识别、跟踪和成像，尤其是在浅水地区或地形复杂海域，如群岛、海峡等，比如由桑德斯公司为美国海军研制的ATD-111激光雷达采用吊舱载系统，能安装在SH-60“海鹰”直升机上用于发现水雷和水雷锚链。

（3）车载成像激光雷达

近年来无人驾驶汽车发展迅速，扫描成像激光雷达作为无人驾驶一种有效的解决方案，吸引着世界各国都在积极开展车载激光雷达的研究。IBEO、Velodyne、SICK、Quanergy、Innoviz、AEye、禾赛科技、北科天绘、镭神智能等一大批国内外公司都积极投身这一领域。

车载激光雷达作为无人驾驶技术中重要的传感器之一，对于保证无人驾驶汽车行车安全具有重要意义。随着无人驾驶产业的进一步发展，车载激光雷达市场前景广阔。为了满足商业应用的需求，车载激光雷达系统实现小型化、低成本是未来的总体发展趋势。无人驾驶汽车产业化的到来以及车载激光雷达成本的降低，将共同推动车载激光雷达产业的爆发式增长。

值得注意的是对于自动驾驶来说，追求由激光雷达自己先“漫无目的”做全景扫描，构建更高分辨率、更远探测距离的三维点云图像，再去与其他传感器进行融合，这样不仅效率低、成本高，且将产生大量“无效”数据，不利于决策系统的快速处理和响应。而由激光雷达与视觉感知技术深度融合，结合人工智能技术，首先对视觉传感器“看”到的图像进行语义分割、识别，然后充分发挥“精确测距”这一激光雷达的核心优势，由其仅仅对分割后的图像区域或者“兴趣点”进行选择性测距，可大大减少无效数据，提高系统的响应速度，应成为这一领域的技术发展方向。

总的来说，扫描成像激光雷达成像系统根据不同的平台应用于不同的场合，采用直接探测的方式，不需要合作目标，具有探测距离远、成像视场大的优点，在星载、机载、车载等领域有着不可替代的位置，其特性如下表所示。

为了克服单点扫描成像激光雷达系统成像速度慢的缺点，扫描成像激光雷达逐渐从单点扫描向小面阵扫描和线阵推扫式成像过渡。而且，为了减小系统体积、重量、功耗，扫描成像激光雷达系统的探测器也逐渐由线性探测器向灵敏度更高的光子计数探测器过渡。

面阵式三维成像激光雷达

面阵式三维成像又称为“闪光式”成像，能够极大地提高雷达系统三维成像的速度，特别适用于高速运动平台或高动态目标三维成像等一些无法进行扫描成像的特殊场景。

目前，按照采用的光电探测器件，面阵三维成像激光雷达大致存在APD阵列和CCD相机两种探测方式。其区别在于APD阵列的每个像元都是一个单点探测的激光像元，能够直接给出与其对应的距离信息，而CCD相机作为一种积分探测器件无法直接获得距离信息，需要通过调制/解调来由所获得图像的灰度间接计算出每个像元对应的距离。对于面阵式三维成像激光雷达，为了提高系统的探测效率，与面阵探测器件相对应的，其激光发射系统应设计为相对应的点阵式分光发射，目前一般多采用衍射光学器件（DOE）来进行激光的分束，随着垂直腔面发射激光器(VCSEL)的快速发展，未来其将有望成为面阵式三维成像激光雷达的理想光源。常见的面阵三维成像激光雷达根据探测器的不同可以分为APD阵列体制、CCD阵列体制。

（1）APD阵列体制

APD 阵列的每个像元都是一个单点探测的激光像元，能够直接给出与其对应的距离信息。典型的有美国麻省理工学院林肯实验室(MIT/LL)基于盖革模式工作的雪崩光电二极管焦平面阵列(GM-APD FPAs)研制的面阵式三维成像激光雷达。

MIT闪光式三维成像激光雷达对密林中隐蔽坦克的探测

（2）CCD阵列体制

CCD 相机作为一种积分探测器件无法直接获得距离信息，需要通过调制/解调来由所获得图像的灰度间接计算出每个像元对应的距离。根据CCD阵列体制中CCD成像原理的不同，又可以细分为CCD阵列体制、ICCD阵列体制、EMCCD阵列体制。

以中国科学院光电技术研究所提出的基于偏振调制的激光三维成像方法为例，其利用高灵敏度、高分辨率的 EMCCD 相机作为探测器，利用偏振调制技术将时间信息转换为图像的灰度信息，巧妙地解决了EMCCD不能提供距离信息的难题，从而实现距离测量。

中科院光电技术研究所研制的激光雷达获取的远距离目标的三维图像

（a）灰度图像，（b）距离图像

需要指出的是，面阵式激光三维成像本质上是将扫描激光成像逐点式的距离信息串行获取，改变为点阵式的距离信息并行获取，虽然其成像速度快，不需要复杂的扫描机构，具备闪光三维成像的能力，但同时也就要求将系统接收的激光回波功率平均分布到每个探测像元上，探测像元越多，分散到每个像元上的回波功率就越小，因此在相同的激光发射总功率和接收口径下，面阵成像系统的探测距离远远小于单点探测系统，一般仅适用于较近距离的成像探测。

激光雷达的发展趋势

多空间一体化监测系统

利用信息化技术将地面监测、航空测量和卫星遥感结合建立天、空、地多空间一体化综合监测系统，通过空中和卫星平台有效范围覆盖大的特点发现目标，通过地基激光雷达构建地面监测网络系统实现精准识别，精确监测被测目标全方位连续实时立体化信息。

多种技术结合实现复合探测

激光雷达或者其它同类技术并不能一劳永逸地解决该领域的所有问题，因此将激光遥感和微波遥感、红外遥感等技术结合联用会弥补不同方法的技术局限实现更精准的目标探测。比如微波遥感技术的发散角大导致其精度和角分辨率相较于激光雷达低，而且对电磁干扰敏感，容易受拦截和干扰源的影响，但是其搜索能力强，与激光雷达技术可以实现功能的互补。同时将激光雷达和红外探测技术结合可以大大提升探测效率，利用红外探测技术进行大面积搜索，再用激光雷达技术实现测速、测距和跟踪的目的。

多种功能的集成化

随着集成化技术的日益提高，满足高速度、高性能和高运算率的集成化芯片得以应用，尤其是高性能SoC芯片提供了高性能、低功耗、低成本的视觉环境感知解决方案，因此激光雷达的主控系统可以进一步缩小体积并融合更多的功能，可以同时对多个参数进行实时分析，使之在共用光源与光学系统的情况下，尽量从散射和反射回波中获得更多信息，形成带有一定综合性的遥感设备。

新型激光光源和探测器的应用

激光器和探测器一直是激光雷达的核心和关键技术，纵观激光雷达的发展历史可以看到它是随着激光器和探测器的发展而发展的。目前高效率、高功率、高可靠性封装和高性价比的激光器具有产能过低、产品价格高昂，进而导致成本过高的问题，因此一直限制了激光雷达技术在民用领域的发展。其次性能高效稳定的光电探测器件利用光电效应将光信号转变为电信号，也是制约激光雷达技术应用的关键部件。

人工智能算法的发展

激光雷达技术直接探测得到的是一系列数字数据，里面包含了众多无效信息和干扰信息，探测数据的处理和反演技术类似于人的大脑，提取有效信息并将之转换为我们理解的图像数据并做出合理判断将是激光雷达技术大规模应用的前提。

结束语

三维成像激光雷达系统与传统的被动相机成像相比不仅能够捕获被测目标的强度像还能提供目标的距离图像，能够获取更为丰富的目标信息，且不受光照条件限制；与微波雷达成像系统相比，激光成像系统具有更高的距离和角度分辨率，以及更小的体积、重量和功耗。三维成像激光雷达日益成为现代成像领域不可或缺的重要组成部分，随着激光器与探测器等元器件的不断发展，激光雷达系统的发展也日新月异，其应用领域也不断扩展。三维成像激光雷达逐渐从单点扫描向小面阵扫描和线阵推扫式及面阵闪光成像发展，成像速度越来越快；同时单光子探测技术逐渐成熟，探测灵敏度越来越高也使得激光雷达系统的体积、重量、功率进一步减小。

另外，也要认识到三维成像激光雷达作为一种探测手段也有其不足之处，例如相比于被动相机成像，其横向分辨率不高，缺乏目标的纹理信息，相比于微波雷达，其更易受到云、雾、霾等大气条件的限制。现代探测技术的发展越来越趋向于多种传感器的融合探测从而获取更丰富的目标信息，三维成像的发展也趋向于主、被动成像相结合。在激光雷达系统的设计和应用中应充分考虑实际需要，尽量避免“以己之短，克敌之长”的情况，而是发挥它的优势，与可见/红外相机等被动成像相结合，充分利用其面阵成像、大视场的优点，在兴趣点/控制点上进行快速、精确测距，从而做到“点面结合，各善所长”。

☆ END ☆