激光雷達系統(tǒng)的七大組成部分

激光雷達系統(tǒng)由以下幾個主要組件組成。

一 激光

600-1000nm激光最常見于非科學應用。激光的最大功率是有限的，或者使用自動關(guān)閉系統(tǒng)在特定的高度關(guān)閉激光，以確保工作人員的安全。

1550 nm激光是一種常見的替代方法，在相對較高的功率水平下對人眼安全，因為該波長不會被眼睛強烈吸收，但是檢測器技術(shù)的發(fā)展不太先進，因此這些波長通常以較低的精度在較長的范圍內(nèi)使用。它們也用于軍事應用，因為在夜視鏡中看不到1550 nm ，這與較短的1000 nm紅外激光不同。

機載地形測繪激光雷達通常使用1064nm二極管泵浦的YAG激光器，而測深（水下深度研究）系統(tǒng)通常使用532 nm倍頻二極管泵浦的YAG激光器，因為532 nm穿透水的衰減比1064 nm 小得多。激光設(shè)置包括激光重復頻率（控制數(shù)據(jù)收集速度）。脈沖長度通常是激光腔長度、通過增益材料（YAG、YLF等）所需的通過次數(shù)以及Q開關(guān)（脈沖）速度的一個屬性。如果激光雷達接收器檢測器和電子設(shè)備具有足夠的帶寬，則可以使用較短的脈沖獲得更好的目標分辨率。

二 Flash激光雷達

Flash（閃光）激光雷達相機的焦平面具有像素行和列，這些像素具有足夠的“深度”和“強度”以創(chuàng)建3D景觀模型。每個像素記錄每個激光脈沖擊中目標并返回到傳感器所需的時間，以及被激光脈沖接觸的物體的深度、位置和反射強度。閃光燈使用單一光源，該單一光源以單一脈沖照明視場，就像照相機拍的是距離，而不是顏色。

機載光源使Flash激光雷達成為一個主動傳感器。通過嵌入式算法處理返回的信號，以生成傳感器視場內(nèi)物體和地形特征的近乎即時的3D渲染。激光脈沖重復頻率足以生成具有高分辨率和準確性的3D視頻。傳感器的高幀速率使其成為各種應用程序的有用工具，這些應用程序受益于實時可視化，例如高精度的遠程著陸操作。通過立即返回目標景觀的3D高程網(wǎng)格，F(xiàn)lash傳感器可用于識別自主航天器著陸場景中中的最佳著陸區(qū)域。

三 相控陣 

相控陣可以通過使用單個天線的微觀陣列照亮任何方向。通過控制每個天線的定時（相位），可以將一個內(nèi)聚信號導向一個特定的方向。

自1950年代以來，相控陣已用于雷達，同樣的技術(shù)也可以用于光。大約一百萬個光學天線用于在特定方向上觀察特定尺寸的輻射圖，該系統(tǒng)由精確閃光定時控制，單個芯片（或幾個）取代了價值75000美元的機電系統(tǒng)，從而大大降低了成本。

有幾家公司正在開發(fā)商用固態(tài)激光雷達裝置，其中包括正在設(shè)計905 nm固態(tài)器件的Quanergy公司，盡管它們似乎在開發(fā)中遇到一些問題。

控制系統(tǒng)可以改變鏡頭的形狀以啟用放大/縮小功能，特定的分區(qū)可以以亞秒間隔為目標。 　　機電激光雷達能持續(xù)1000至2000小時，相比之下，固態(tài)激光雷達可以運行100000小時。

四 微機電設(shè)備 

微機電系統(tǒng)（MEMS）并非全固態(tài)。然而，它們微小的外形提供了許多相同的成本優(yōu)勢。單個激光被指向單個反射鏡上，鏡子快速旋轉(zhuǎn)，該反射鏡可以重新定向以查看目標場的任何部分。然而，MEMS系統(tǒng)通常在單個平面（從左到右）中工作。要添加第二個維度，通常需要上下移動第二個鏡像或者，另一個激光可以從另一個角度擊中同一反射鏡。MEMS系統(tǒng)可能受到?jīng)_擊/振動的干擾，可能需要重復校準。我們的目標是創(chuàng)造一個小型微芯片，以加強創(chuàng)新和進一步的技術(shù)進步。

五 掃描儀和光學元件

圖像顯影速度受其掃描速度的影響，掃描方位角和仰角的選項包括雙振蕩平面鏡、多角鏡和雙軸掃描儀的組合。光學選擇會影響角度分辨率和可以檢測到的范圍，可以選擇使用孔鏡或分束器來收集返回信號。

六 定位和導航系統(tǒng) 

安裝在飛機或衛(wèi)星等移動平臺上的激光雷達傳感器需要儀器來確定傳感器的絕對位置和方向，這樣的設(shè)備通常包括全球定位系統(tǒng)接收器和慣性測量單元（IMU）。

七 傳感器 

激光雷達使用有源傳感器提供自己的光源，能源撞擊物體，反射的能量由傳感器檢測和測量。通過記錄發(fā)射脈沖和反向散射脈沖之間的時間并使用光速計算行進距離，可以確定到物體的距離。因為相機能夠發(fā)射更大的閃光燈并利用返回的能量來感測感興趣區(qū)域的空間關(guān)系和尺寸，因此Flash激光雷達可以進行3D成像。由于不需要將捕獲的幀縫合在一起，并且系統(tǒng)對平臺運動不敏感，失真較小，因此可以實現(xiàn)更精確的成像。 　　使用掃描和非掃描系統(tǒng)均可實現(xiàn)3D成像?！?3D門控觀測激光雷達”是一種非掃描激光測距系統(tǒng)，可應用脈沖激光和快速門控攝像頭。目前，使用數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)進行虛擬光束轉(zhuǎn)向的研究已經(jīng)開始。 　　激光雷達成像也可以使用高速探測器陣列和調(diào)制敏感探測器陣列，通常使用互補金屬氧化物半導體（CMOS）和混合CMOS /電荷耦合器件（CCD）制造技術(shù)在單芯片上構(gòu)建。在這些設(shè)備中，每個像素執(zhí)行某些本地處理，例如高速解調(diào)或門控，將信號向下轉(zhuǎn)換為視頻速率，以便陣列可以像照相機一樣讀取。使用這項技術(shù)，可以同時獲得數(shù)千個像素/通道。高分辨率3-D激光雷達相機通過電子CCD或CMOS 快門使用零差檢測。