不知道你要去哪里...不知道怎么去那里?然后你需要一张地图。但是，如果没有地图怎么办?嗯....好吧，那么 如果你的大脑的一部分可以冲到你前面，快速勾勒出一个 地图，并将其反馈到大脑的其他部分，以帮助您找到您的 道路?这听起来完全是疯狂的，但这正是自动驾驶的方式。 汽车工作 - 使用一种简洁的3D地图制作技术，称为 激光 雷达 (其中 代表 LIght 检测和测距)。顾名思义，激光雷达 工作有点像 雷达 (船舶使用的无线电波导航 和飞机)和 声纳 (水下探测利用声音，主要采用 由 潜艇)，尽管它具有完全不同的应用程序，但从 工厂车间机器人和无人驾驶出租车到海岸测绘和 测量森林砍伐。它究竟是如何工作的?让我们来一个 仔细看!

　　插图：导航激光雷达的基本思想：自动驾驶汽车(蓝色)通过将旋转的激光束(橙色线)从障碍物上反弹并检测其反射(绿线)来“看到”。光束返回所需的时间告诉我们每个障碍物离汽车有多远。通过这种方式，激光雷达创建汽车周围动态环境的3D地图比汽车本身行驶的速度快得多。

　　为什么选择激光雷达?

　　环顾四周。您看到的是即时的3D彩色地图 您的大脑构建的环境(主要是实时的)使用 光线被你的眼睛浸透了。如果你是一个 机器人 与一对夫妇 之 数码相机 卡在你的头上，你可以给自己建一张地图 一个房间的方式大致相同，但它不会像 信息丰富且有用。你不一定知道一个对象 比另一个更近，或者中间有一个不断增长的黑色斑点 房间里有一只猫爬向你。作为一个人，你知道这些 事情是因为你的大脑使用 一生的经验，了解不断增长的黑色斑点的实际含义。 但机器人没有百科全书式的生活经验可以画 开，这意味着他们在 “看”世界。

　　这就是为什么自主机器人(控制自己的机器人)和 自动驾驶汽车通常更喜欢以不同的方式看待世界， 使用激光雷达系统代替摄像头。其中基于摄像头的眼睛 拍摄必须处理的场景的即时 2D 照片，并且 解释找出它在看什么，激光雷达制造了数百万 测量所有方向的深度信息 同时 — 而且转换数据通常更快、更容易 进入可用于实时导航的地图。

　　照片：别看眼睛!沙尘暴，2005年的自动驾驶汽车 DARPA大挑战赛，使用不同的传感器 “看到”它的去向，包括短程和远程 激光 雷达。远程激光雷达扫描仪是屋顶顶部的圆形白色物体; 它可以“看到”150米(450英尺)的距离;短程激光雷达单元安装在靠近散热器的汽车前部 和挡风玻璃区域的左侧。照片由 丹·霍里克 发表于 Flickr 在 知识共享许可.

　　什么是激光雷达?

　　看看工厂车间的机器人或自动驾驶汽车。什么是 那个奇怪的，旋转的罐头像头盔一样坐在上面?那是 激光雷达：它在旋转，发射不可见 激光 所有光束 方向，捕捉反射，并测量多长时间 光束返回，以便它可以找出附近的障碍物 以及他们有多远。所以激光雷达的基本概念正是 与雷达和声纳相同。使用雷达，您可能有一个 喷气式飞机 发射出一束编码 收音机 波浪和倾听回报 光束从附近的物体反射(另一架飞机即将坠毁 进入你);它使用光束返回图形所花费的时间 物体有多远。使用声纳，您可以做同样的事情 在水下，只使用声波(因为普通的光和无线电 波浪不会在水中传播很远)。在日常生活中，在陆地上 情况 - 在街上开车或导航穿过 建筑——反射的激光被证明是更好的光源 信息比无线电波或声音，这就是为什么激光雷达 变得如此流行：它简单、可靠且相对 低成本，如果对于业余或业余爱好者来说仍然非常昂贵 (目前，我们谈论的是数千美元)。

　　因此，您可以使用激光雷达数据构建街道的实时地图 自动驾驶汽车试图导航或工厂通过它 机器人必须蹒跚而行，但你也可以用其他方式。 早在自动驾驶汽车成为如此热门的话题之前，地理学家就 大气科学家正在以更“被动”的方式使用激光雷达 方式，绘制地球或大气的详细航空地图。 (气候科学家早在很久以前就提出用激光雷达研究天气 作为 1960 年代中期。对于这些类型的应用程序，而不是使用 旋转的激光雷达，您将激光雷达单元安装在飞机下方或 直升机，并在飞机飞行时扫描地面 跨越精确的轨迹。虽然可见光没有多大用处 在水下扫描，可以使用蓝绿色激光 对海底进行激光雷达扫描， 例如。

　　Artwork: LIDAR is now probably best known for its use in robots and self-driving cars, but it has many other applications. High spectral resolution LIDAR (HSRL), often operated from scanning airplanes like this, is used to study Earth's atmosphere and oceans. It works by sending out LIDAR signals, then examining the spectrum of the radiation that's "backscattered" (which means roughly rather than exactly reflected) by molecules and aerosols in the atmosphere.

　　What kind of data do you get from it?

　　激光雷达数据可以单独使用，也可以与收集的数据结合使用 其他方式。在航空地图的情况下，激光雷达系统通常 也使用 全球定位系统(卫星导航);在自动驾驶汽车中，激光雷达 倾向于与GPS，板载传感器(如 加速度 计 或 车速表)、惯性制导系统和陀螺罗盘，以及 来自存储地图的导航数据(想想谷歌街景)。你最终得到的是 称为“点云”：激光雷达的三维阵列 与特定 GPS 坐标相关的测量。为了搬家 传感器，就像自动驾驶汽车上的传感器一样，你最终会得到数百万个传感器。 所有数据点距离您最远 60 米(200 英尺) 方向，精确到几厘米。

　　照片：绘制月球地图。美国宇航局工程师和宇航员在摩西湖沙丘上测试K10月球车扫描装置。漫游车拥有探地雷达和激光雷达扫描仪，可以制作月球地形的3D地图，包括地面和地下。照片由 美国宇航局在下议院.

　　激光雷达系统由什么组成?

　　要制作激光雷达地图，您需要一个 激光 和一些东西 它的反射光;移动激光束并使其的东西 扫描您周围的一切;通常还有一个 GPS 接收器，因此您可以 弄清楚你在哪里，你的激光雷达数据在世界的哪一部分 适用于。

　　照片：激光雷达扫描需要什么?像这辆卡车这样的东西，由 研究人员在 美国农业部 从屋顶上的扫描仪向空中发射绿色激光雷达光束。激光雷达广泛用于绘制世界地图和研究其大气层。美国农业部的研究人员已经使用它20年来研究农业和农业如何影响大气 - 从种植树木的吸水到集约化动物养殖造成的空气污染。照片由Peggy Greb提供 美国农业部农业研究服务.

　　任何旧激光器都可以吗?那些大的，嗡嗡作响的激光器之一，如 金手指想用把詹姆斯邦德切成两半?不!通常 我们谈论的是一个 半导体二极管激光器，更像那些 你会发现在一个 激光打印机 或 CD播放器 只有更强大。 而不是发射可见光(波长约为 400-700纳米)，自动驾驶汽车将使用带有 无形 近红外 激光(约900-1100纳米)。 水下激光雷达扫描仪使用绿色激光，时间更短 可见光中间的波长(约530纳米) 范围。当你开始时，人们的眼睛显然有一些危险 到处发射红外激光束 - 而且危险更大 汽车在街上疾驰，而不是飞机扫描远处 从天而降的热带雨林。一般来说，激光雷达越远 激光需要安全穿透，波长越高 使用—因为波长较长的光具有较短的频率和 降低能量。最新的自动驾驶汽车激光器正在使用激光 波长为1550纳米，可扫描前方200米， 相比之下，高功率激光器的工作距离仅为 30-40 米 905纳米。

　　激光雷达系统中的光电探测器是一种 光电电池 由硅或砷化镓制成，设计最大 对激光使用的任何光波长的灵敏度。 根据范围使用不同类型的探测器 激光雷达系统正在其上运行。短程激光雷达系统 通常使用简单的硅光电二极管。远程系统使用什么 被称为雪崩光电二极管(APD)。 这些工作有点像 盖革计数器 辐射探测器，转动单个 将光的入射光子带入可测量的电子雪崩 (可以测量的电流)，因此可以检测到低得多的光水平。 许多APD可以内置到单个芯片中，以创建一种称为 多像素光子计数器(MPPC)。

　　高速旋转激光器听起来有点像工程 噩梦——所有那些纠结的电线和振动的金属外壳——但是， 幸运的是，我们可以不这样做。我们所要做的就是 激光雷达系统正在扫描 梁，而不是激光本身，并且对于 我们可以使用快速旋转 镜子.现代激光雷达系统 使用基于MEMS(微机电系统)技术的微观移动镜，安装在微芯片上和 类似于您在 数字投影仪;其他用途更大 镜子大约是硬币的大小。

　　动画：1)理论上，激光雷达激光器是通过从固定镜(顶部)和快速旋转的镜(底部)发射来扫描的。

　　艺术品：2)在实践中，它并不那么笨重，现代激光雷达倾向于使用基于MEMS技术的非常小的显微镜。每个微小的镜段(粉红色)在铰链(绿色)上倾斜，被下面的带电板(蓝色)吸引。艺术品来自 美国专利4，710，732：空间光调制器及其方法 作者：Larry Hornbeck，德州仪器，1987年，由美国专利商标局提供。

　　激光雷达的用途是什么?

　　虽然机器人和自动驾驶汽车是激光雷达的种类 您可能会在技术媒体上读到的应用程序， 迄今为止最常见的应用是地理和大气 映射。像USGS(美国地质调查局)，NOAA(国家)这样的人 海洋和大气管理局)和美国宇航局 数十年来，使用激光雷达制作地球和太空地图。气候 科学家用它来探测大气的成分和 研究云、气溶胶和 全球变暖; 海洋学家用它来 追踪海岸侵蚀;植物学家是 现在使用激光雷达在飞机上飞行以测量 地球森林模式不断变化。 激光雷达已用于从 监测蜘蛛种群 和 研究受威胁的蝴蝶 自 橡树建模 和 监测暴风雨后的海滩损坏情况. 它甚至已经习惯了 揭示失落已久的文明的痕迹 埋在森林下。

　　照片：自导原型飞行器SeaHunter使用。 激光雷达导航。摄影：Grant P. Ammon，图片由 美国海军.

　　我们还可以使用激光雷达来研究 大气层。不同的气体吸收不同波长的光 不同的量，因此我们可以研究特定位置的气体 通过从中发射两束不同波长的激光束来远程 一架飞机或一架直升机，并比较每个波长的多少 吸收或反射。这个系统，称为差分 吸收式激光雷达(DIAL)，可用于从检测到检测的一切 从天然气管道到测量的泄漏 空气污染.

　　激光雷达最常见的用途之一是在警用测速枪中。 虽然我们通常认为它们是雷达枪(和静态高速公路) 测速摄像头，如Gatsos，确实使用雷达)，手持枪更有可能 使用905纳米激光雷达激光器，价格便宜，安全且非常 有效。

　　激光雷达简史

　　1930 年代：在激光发明前三十年，科学家们尝试测量激光的成分 使用扫掠探照灯光束的气氛。

　　1958年：Charles Townes和Arthur Schawlow发明了激射器( 原装， 微波炉 激光);他们的学生戈登·古尔德(Gordon Gould)也使 重要贡献。

　　1960年：西奥多·迈曼(Theodore Maiman)建造并演示了第一台 实用激光。

　　1962年：麻省理工学院的科学家测量了地球与地球之间的距离 使用反射激光束的月球。

　　1965年：斯坦福研究所的罗纳德·柯林斯(Ronald Collins)提交了一份 专利 对于一个 激光雷达激光雷达系统，可用于研究地球大气和天气。

　　1969年：丹尼尔·希克曼和约翰·霍格发表了一篇 有影响力的科学论文 描述 如何使用机载激光器测量海洋深度。

　　1971年：阿波罗15号宇航员使用激光雷达绘制地图表面 月亮。

　　1973年：美国宇航局瓦勒普斯岛飞行中心举办 [PDF] 研讨会 关于使用激光雷达监测海洋和海岸线。

　　1974: 艾伦·卡斯韦尔博士 多伦多约克大学发明激光 测距仪和他的学生塞巴斯蒂安·西兹戈里奇(Sebastian Sizgoric)成立了一家名为Optech的公司来销售它。在 未来几年，Optech完善了远程扫描激光器的想法 来制作地图。

　　1975年：Avco Everett研究实验室建立了一个 机载海洋激光雷达 (AOL) 对于美国宇航局，使用道格拉斯C-54天空大师飞机。

　　1976年：第一本关于激光雷达的教科书出版。

　　1978–: 加里·冈瑟 NOAA(后来与Optech合作)发表了一系列有影响力的技术报告和论文，描述了使用机载激光雷达进行海岸测绘和测量， 包括1985年开创性的“蓝色”书 机载激光水文学—系统设计和性能因素.

　　1985年：Optech开始销售一款名为Larsen-500的产品。 首批商用激光雷达系统。

　　1990年代：激光雷达广泛用于地理测绘。

　　1994年：美国宇航局在发现号航天飞机上将激光雷达送入太空。 LITE(激光雷达太空技术实验) 是第一次激光雷达 被用来从太空研究大气层。

　　2005 年：激光雷达系统成为头条新闻，成为背后的眼睛 美国军方DARPA大挑战中的自动驾驶汽车。

　　2008年：美国宇航局的凤凰号着陆器将Optech LIDAR扫描仪用于 火星研究行星的大气层。

　　2015年：DARPA宣布它已经创建了Sweeper，一个微型 单芯片上的激光雷达系统(“扫车”代表短程 宽视野 极其敏捷 电子转向 光子 发射)。

　　2017年：英格兰和威尔士环境署 宣布 它将激光雷达扫描整个英格兰并公开数据。

　　2020: 苹果包括激光雷达 在其最新的iPad中，以改善周围环境的3D建模 用于增强现实应用。