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激光雷达 50 年:从月球成像,到自动驾驶


 

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?

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      LiDAR 经历了 50 年的漫长旅程,才成为今天最新的“热门”技术。在过去半个多世纪以来,光探测和测距 (LiDAR) 已在多个行业和技术应用中崭露头角。该技术虽然适用于独特的用途,甚至被誉为雷达的继承者。激光雷达的技术最近一直在稳步发展,从庞大笨重到更加流线型,但它的历史悠久,但它是如何成为自动驾驶的主要技术的呢? 

 

激光雷达的地质首秀

       在二战后的几十年里,美国地质调查局 ( USGS ) 专注于自动化测量过程。新技术遇到了航空摄影,很快激光技术就开启了大规模测绘背后的另一个效率水平。激光雷达的出现,为快速地形成像打开了大门,在 70 年代更加成熟。远程、基于激光的传感技术使飞机能够绘制海洋、冰盖和森林的地图。 在阿波罗任务期间,激光扫描对于生成月球表面的 3D 图像也很关键。
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LiDAR 系统在阿波罗任务中
       据美国宇航局称,阿波罗 15 至 17 号采用了一种依赖于“闪光灯泵浦红宝石激光器”(flashlamp-pumped ruby laser,)的 LiDAR 。这种方法具有每分钟 3.75 次的低脉冲频率,并依靠机械部件来发挥作用。该项目被称为激光高度计实验。 令人惊讶的是,LiDAR 首字母缩写词最初是作为“光”和“雷达”的混合体而存在的。概念和名称最终演变成现在的形式。它也被称为激光成像检测和测距。 LiDAR 的第一个十年主要是试图找到立足点,但到了 80 年代,LiDAR 开始全面成型。

下一代激光雷达的出现

       80 年代是 LiDAR 技术向前迈出的关键时刻,这主要是因为固态技术的出现,同时,电机和齿轮也让位于片上系统 (SoC)。这种现代、紧凑的封装可以控制其激光系统来扫描场景。自然地,半导体的出现帮助这些 LiDAR 系统缩小了尺寸。 紧凑性的提高与二极管系统的到来有关。
       可靠性的提高意味着 NASA 的 LiDAR 装置可以连续运行多年。
该技术在以下追求中发挥了重要作用:  ①绘制火星的形状和表面,进行了超过 6 亿次测量。  ②地球地形和大气扫描的初步扩展,包括近 20 亿次激光测量,以及测量各种小行星的形状。
       就二极管激光雷达而言,它的效率明显更高,寿命更长,产生的激光密度更大,分辨率更高。例如,南极洲和格陵兰岛的测量高度分辨率只有几个 em。 第一个利用这种方法的太空 LiDAR 使用掺钕钇铝石榴石 ( Nd:YAG ) 激光器,并被称为 火星轨道器激光高度计(MOLA)。
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NASA 的 MOLA 示意图
        YAG 激光器以其功率和由此产生的穿透深度而闻名,可以相对轻松地清除 LiDAR 源和感兴趣目标之间的障碍物。 在此期间出现的另一项技术是dye激光。脉冲dye激光雷达在更宽的波长下工作,产生的脉冲短至十飞秒(或十亿分之一秒)。 在 80 年代之前,LiDAR 的日益普及受到严重阻碍。商业化仍然很昂贵,而且 GPS 短缺减缓了空中系统的推出。然而,一旦生产商克服了这一障碍,LiDAR 就被广泛用于收集地理数据和进行大气研究。增加的脉冲频率和更短的激光波长使测量空气中的颗粒变得更加容易。 
       每过十年,LiDAR 技术就会取得越来越多的进步,那么 90 年代是什么?
 

激光雷达在商业上可行

       快进到 90 年代,LiDAR 开始受到商业买家的青睐。这些激光系统比竞争对手更受欢迎。由于政府机构不再垄断该技术,即使他们的资金和利用为广泛采用铺平了道路。 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。虽然其他映射方法是推论性的,有时会进行有根据的猜测来生成地图,但 LiDAR 测量是直接的。所进行的扫描更加可靠和快速,导致传感器驱动的映射成为减少失真的同义词。 
       此外,这些产品的价格在整个十年中稳步下降。这就让你觉得LiDAR 变得更加平民化(但仍然让许多人难以企及的)。 随着固态变体的成熟,该技术也向前迈进了一步。虽然dye激光器以前以其脉冲速度而闻名技术,但较新的基于 SoC 的激光器可以产生低至 5 飞秒的脉冲。在一飞秒内,光只有足够的时间传播约 300 纳米。这个距离比有记录的最小细菌稍大。这些激光波长范围从紫外线到红外线。
       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、需要熟练操作人员的指导。如果这项技术越来越受欢迎,就需要做出改变。 尽管面临这些挑战,LiDAR 仍然有很多希望。在 LiDAR 的大部分历史中,它主要用于空中监视,那么它是如何转移到今天主要为人所知的车辆上的呢?
 

当今的激光雷达 

      尽管这是一段漫长的 50 年旅程,但 LiDAR 已经走过了漫长的道路。虽然一些 LiDAR 系统的成本可能高达 75,000 美元,但最近成本迅速下降。现在可以通过 Luminar 等公司以 500 美元的价格购买商用级 LiDAR 设备。此外,据预测,到 2025 年,激光雷达系统的平均价格可能会达到每个大约 700 美元。这对初创公司和客户来说都是令人难以置信的消息。 随着更广泛的可用性出现了一个新的应用,LiDAR 不再仅仅关注通过火箭飞船或卫星的读数。该技术现在离家更近了,因为紧凑型无人机已成为必不可少的地面测量飞机,而自动驾驶汽车也在发展。 
 
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LiDAR 在汽车和工业应用中的可能路线图
      现在有可能(并且有必要)购买一个总尺寸只有几英寸的 LiDAR 设备。LiDAR 不再被归为跨越整个车顶的巨大“冰球”。相反,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,每个单元现在能够以 5 毫米的精度每秒捕获超过 200 万个数据点。即使是紧凑型装置也可以准确地将脉冲发送到 1,000 米外,这对自主安全来说是一个福音。 物体识别也变得更好,能耗也得到了大幅削减。LED 和 VCSEL 二极管的传感器外形尺寸显着缩小,智能手机相机外壳可以容纳它们。 
      脉冲调制和单光子雪崩二极管(SPAD)系统兴起,擅长检测移动物体。它们还具有抗串扰功能。 因此,今天的 LiDAR 系统已经发展到拥有更少的延迟和更小的带宽要求。该软件也一如既往地发挥着至关重要的作用。AI 算法是确定对环境对象进行实时分析的基础。 今天的 CMOS 支持的传感器已经解锁了实时处理。他们还可以看到具有 RGB 颜色的 1D、2D、3D 和 4D。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激光雷达来应对最大的挑战。
 

来源:半导体行业观察、雷锋网

 

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