回望激光雷达 50 年：从月球成像，到自动驾驶

编者按：在如今的智能手机和汽车产业，激光雷达越来越成为一个常见词汇，而且有越来越频繁之势；不仅如此，有咨询公司预计全球汽车激光雷达市场将在 2032 年将达到 280 亿美元。然而，如果把时间往回拨 50 年，激光雷达的应用领域仅局限于太空探测，这不由得让我们好奇，激光雷达是如何一步一步发展到今天的？围绕这一话题，外媒作者 Tyler Charboneau 进行了全面而深入的解读，雷锋网对本文进行了不改变原意的编译。

半个多世纪以来，LiDAR 已经在多个行业和技术应用中崭露头角。

这项技术用途特殊，甚至被誉为雷达的继承者。最近一直在稳步发展的 LiDAR 技术，是如何从庞大笨重变得更加高效的？它又是如何成为自动驾驶的主要技术呢？

激光雷达的地质测绘首秀

在二战后的几十年里，美国地质调查局 ( USGS ) 专注于自动化测绘过程。新技术与航空摄影相结合，很快，激光技术就开启了大规模测绘新世界的大门，测绘效率上升一个级别。

为快速成像打开大门的激光技术到 70 年代更加成熟。基于激光的远程传感器，能够帮助飞机绘制出海洋、冰川和森林的地图。

在“阿波罗”任务期间，激光扫描对于生成月球表面的 3D 图像也至关重要。

LiDAR 系统在阿波罗任务中飞行。图片由 NASA 和 James Abshire 提供

据美国宇航局称，阿波罗 15 号至 17 号采用了一种依赖于 “红宝石激光器闪光灯泵浦”（lashlamp-pumped ruby laser）的 LiDAR ，绘制月球表面图。这种激光器被称之为激光高度计，具有每分钟 3.75 次的低脉冲频率，并依靠机械部件来发挥作用。

值得一提的是，LiDAR 首字母缩写词最初是 “光”（Light）和“雷达”（Radar）的混合体，概念和名称最终演变成现在的形式，也被称为激光成像检测和测距。

LiDAR 技术在它发展的最初一个十年只是找到了立足点，到了 80 年代，LiDAR 开始全面成型。

SoC推动下一代激光雷达出现

80 年代的 LiDAR 技术向前迈出了重要一步，这主要是因为固体电路技术的出现，电机和齿轮让位于片上系统 （SoC）。这种现代、紧凑的封装方式可以控制其激光系统扫描场景。另一方面，半导体技术的出现帮助这些 LiDAR 系统缩小了尺寸。

激光雷达电路紧凑性的提高与二极管系统的到来密切相关，可靠性的提高则意味着 NASA 的 LiDAR 装置可以持续运行多年。

此外，基于 SoC 的激光雷达技术还在以下应用中发挥了重要作用：

• 经过超过 6 亿次测量，绘制出火星的表面形状；

• 经过近 20 亿次激光测量，地球地形和大气扫描得以初步扩展；

• 测量各种小行星的形状；

基于 LiDAR 的激光二极管明显效率更高、寿命更长，产生的激光密度更大，分辨率更高。例如，对南极洲和格陵兰岛的测量，其高度分辨率仅为几毫秒。

第一个利用这种方法的太空 LiDAR 使用掺钕钇铝石榴石 （Neodymium-doped Yttrium Aluminum Garnet， Nd:YAG）)激光器，并被称为火星轨道器激光高度计（Mars Orbiter Laser Altimeter，MOLA）。

NASA 的 MOLA 示意图。图片由NASA 提供

YAG 激光器以其功率和穿透深度而闻名，可以相对轻松地清除 LiDAR 源和目标之间的障碍物。

在此期间出现的另一项技术是染料激光（dye lasers）。脉冲染料激光雷达（Pluse-dye LiDAR）的工作波长更宽，产生的脉冲短至 10 飞秒（或十亿分之一秒）。

在 80 年代之前，由于商业化成本高昂，加上 GPS 的短缺减缓了航空系统的推出，LiDAR 的普及受到严重阻碍。不过，一旦生产商克服了这一障碍，LiDAR 就可以被广泛用于收集地理数据和进行大气研究。

脉冲频率的增加和激光波长的缩短使测量空气中的微粒变得更加容易。

可见，几乎每隔十年，LiDAR 技术就会取得巨大的进步；那么 90 年代的 LiDAR 是什么样？

第四个 10 年，激光雷达商业化

快进到 90 年代，LiDAR 开始受到市场青睐。同其竞争对手相比，LiDAR 系统在市场上大受欢迎。这是因为政府机构不再垄断该技术，尽管在此之前，政府的资金和研发为这项技术的广泛应用奠定了基础。

通过将机载激光发射扫描与航拍相机相结合，飞机可以在测绘时轻松捕获 3D 监控数据。从表面分析的角度来看，这些数据非常有价值。这是因为其他测绘方式都是通过推理完成，有时候会做出有根据的猜测来绘制地图，而 LiDAR 却是直接测量，绘制的地图更加可靠和快速。自此，由传感器驱动的测绘成为“减少失真”的代名词。

此外，这些系统的价格在接下来的十年里稳步下降，以至于 LiDAR 的价格更加亲民，虽然对很多人来说依然比较昂贵。

随着固体电路技术的成熟，LiDAR 也向前迈进了一步。虽然以前有以其脉冲速度而闻名的染料激光器，但新型的基于 SoC 的激光器可以产生的脉冲短至 5 飞秒。1 飞秒内，光传播的距离大约为300纳米，这个距离比有历史记载以来最小的细菌略大一点，这些激光波长范围涵盖从紫外线到红外线全部波长。

总体而言，直到 1995 年左右，典型的 LiDAR 系统都包含 YAG、红宝石或 YLF 激光器，大型接收望远镜也是必不可少的组件。但是，这些 LiDAR 解决方案复杂、繁琐、耗电大、需要在专业人士的指导下操作。如果这项技术想要覆盖地更广，就需要做出一些改变。

尽管面临的挑战有很多，但 LiDAR 被广泛应用仍然有很大的希望。在 LiDAR 的大部分历史中，它主要用于太空探测——那么它是如何转移到车辆上，如今广为人知的呢？

如今的激光雷达

迄今为止，LiDAR 已经走过 50 年的漫长旅程。虽然一些 LiDAR 系统的成本可能依然高达 75000 美元，但总体而言最近成本在下降。

现在，通过像 Luminar 等这样的公司，只需要 500 美元的价格就可以获得商用级 LiDAR 装置。此外，据预测，到 2025 年，LiDAR 系统的平均价格可能会达到每个 700 美元左右，这对初创公司和客户来说都是令人振奋的消息。

伴随着更广泛的可用性，出现了更多的应用场景，LiDAR 不再只是关注通过火箭飞船或卫星的测绘读数。该技术现在离地面更近了，小型无人机已成为必不可少的地面勘测飞机，自动驾驶汽车也在持续发展。

LiDAR 在汽车和工业应用中的可能路线图。图片由 Yole Développement 提供

如今购买一个台总尺寸仅为几英寸的 LiDAR 装置是有可能且有必要的。LiDAR 不再是覆盖整个车顶的巨大“圆盘”，与之对应的，汽车制造商现在可以购买适合汽车挡风玻璃的装置。

现代 LiDAR 也更加智能，每个单元现在能够每秒内捕获超过 200 万个数据点，精度为 5 毫米。即使是小型装置也可以准确地将脉冲发送到 1000 米之外，这对自主安全来说是一个福音。

物体识别也得到了改善，能耗也大幅下降。LED 和 VCSEL 二极管大大缩小了传感器的外形尺寸，智能手机摄像头外壳就可以容纳它们。

脉冲调制和单光子雪崩二极管（SPAD）系统已经兴起，它们擅长检测运动物体，同时具有抗串扰功能。

因此，今天的 LiDAR 系统已经发展到具有更少的延迟和更小的带宽需求，与之匹配的软件也一如既往地发挥着至关重要的作用——AI 算法成为确定环境对象动态分析的基础。

今天的 CMOS 支持的传感器已经开启了实时处理，它们还可以使用 RGB 颜色在 1D、2D、3D 和 4D 中查看——在可预见的未来，汽车、物联网、农业、工业和林业等领域的公司将继续依靠 LiDAR 来应对更大的挑战。雷锋网