激光雷达和智慧城市

土木工程师的LIDAR 101

无论是家庭，汽车还是城市，智能技术的开发都取决于系统收集良好信息的能力。软件设计中的经验法则是“垃圾进，垃圾淘汰” - 如果您依靠不良数据，则可能无法获得良好的结果。幸运的是，传感器技术的发展与使用它的计算基础架构一样快。智能城市工程师可以使用各种不同的传感器。

激光雷达（LiDar）是传感输入技术领域的巨大推动者和振动者。它以在汽车空间中用作自动驾驶汽车的主要传感器而闻名。但是，并非所有的大龙都是一样的。

像动物的感官器官一样，传感器的适应方式取决于它们的工作原理。在动物界，眼睛的位置和数量或气味器官的放置取决于动物适合生态系统的位置。激光雷达传感器也正在迅速发展，以供特定用途。无论是传感器在陆地上还是在天空中，无论是移动还是固定，在哪种气氛条件下都必须运行的所有操作都会改变传感器技术的设计方式。

什么是LiDAR？

LIDAR代表“光检测和范围。”它是一种主动的遥感技术，这意味着它发出了能量脉冲，然后读取了这种能量的反映回报，以收集有关周围世界的信息。通过这种方式，它的起作用就像回声定位，超声波或雷达：但是使用激光雷达，它是一种激光低频光束，用于扫描周围的世界。

激光传感器就像一个在黑暗的房间里有手电筒的人，摸索着灯。反射的光将使人的手电筒能够看到。但是，激光雷达传感器获得的信息比人类所能获得的更多。传感器可以从触摸每个点返回的光需要时间。该测量提供了与“看到”每个点的距离。这被称为“飞行时间”计算。

每个点上的飞行时间计算使LIDAR可以创建一个点云绘制三维空间，而不仅仅是从光线中创建二维图像，就像相机可能捕获的那样。

这光束接触的每个点的反射率对于点云的创建很重要。白色或反射对象将更多的数据返回到LiDAR，而不是较暗的物体，通常可以从较远的地方看到。

激光雷达设计

LIDAR传感器最基本的是由激光制成的，是一个光检测器，以及控制发送和接收光的过程的处理器。

处理器使用现场效应晶体管（MOSFET/POWER FET）通过激光二极管- 发电时会产生照明的设备。它通过光电二极管，它接收光并产生电。处理器必须足够聪明，以忽略背景“噪声”，而只能解释强烈的信号。当激光脉冲的反射太弱而无法从背景中脱颖而出时，物体就会变得不可见。

不同的LiDAR传感器可能会根据其应用使用不同的光频率。绿灯频率（通常为532 nm）在穿透水方面更好：无人机可以使用这些方法来确定小溪床或湖泊的地形。LIDAR传感器寻找有关对象的精确信息通常使用近红外。近红外波长取决于该应用：1064 nm是常见的且可商购的，通常用于平面和无人机。汽车可能使用不同的近红外频率，例如950nm。

激光雷达可以设计为固态或机械技术。机械激光雷达旋转以获取完整的视野。就像令人难以置信的快速移动雷达扫描一样，LiDAR发射器和接收器在舞台上旋转，并为其视野构建闪光灯图像。机械，旋转的LIDAR可以建造和容纳，在LiDar盒的前面具有有限的视力，或者可以具有360度眼界，如果旋转平台被内置在圆柱体中，则在发射器和传感器上方或下方的处理器上方。

具有运动部件和设计要求的机械激光雷尔通常不是汽车应用的首选。由于移动部分破裂而导致的机械故障可能在道路上是致命的。加速度转移是常见的，并导致机械应变。此外，汽车应用通常需要LIDAR才能适合车辆设计，而360度圆柱式选项可提供过多的并发症，无法实现真正​​的额外安全性或操作益处。

固态激增无需旋转。取而代之的是，将梁或​​光束阵列调谐以完成一旦通过旋转运动完成的工作。可能仍然需要运动，只是规模较小。这允许微型化，并将激光雷达纳入iPhone和其他小型设备。

固态激增的一种方法是使用MEM系统。MEMS代表微机电系统并指的是一类微型机器，这些机器出现在许多技术创新中。在LIDAR中，MEMS设备用于调整阵列内的小镜子，以移动设备的激光灯。这些MEMS系统也在不断发展，因为发现了新的壁ches。原始的MEMS LIDAR经常使用毫米大小的镜子，但是这些小尺寸意味着纤细的光束和工作范围的极限。像Blickfeld一样，该领域的创新者正在研究解决方案，以推动MEMS的功能范围。Blickfeld的解决方案是稳定的系统具有较大的镜子能够达到更长的范围。也开发了移动镜子的新方法为这些“固态”解决方案提供更大的运动（和视野）。

类似的固态系统采用标准激光束或光束阵列，并通过移动液体晶体元表（LCM）。光学分阶段阵列（普罗斯）以不同的方式解决问题，通过将一组光学天线放在一起，并以模式运行，使系统可以创建一个可可的光束。

雷达的类型 - 空气或陆地

激光雷尔有时会因是否是空降或陆地。

由于点云包含到感知物体的距离，因此LIDAR是一种使用鸟视图创建地形的有效技术。在这些应用中，将传感器放置在飞机上并飞过表面，捕获地面上的地面和物体。机械激光雷达通常足以在巡航高度条件下工作。一旦创建拓扑地图就需要进行测量和最佳拟合，LIDAR可以进行数百万个测量值来构建地图。它具有比从地面建造的模型更高的准确性，尤其是在偏远地区。使用该区域中反射率模式的数据模型可以将植被，动物和建筑物体分开。

测深痛用于混合土地和水的地形，通常将近红外和绿灯激光器结合在一起。土地和海岸线细节（可能是水面水平的数据）与近红外收集。绿灯从水下挑出细节。

空气传球liDAR的距离比陆地激龙更大的距离。这种长距离测量意味着解决不同的问题对于更紧密的对象而言，需要解决的问题。从2000米处比1000米的峰值功率更高。此外，光经验光束分歧- 随着距离距离的距离增加，梁直径会膨胀。该光束差异根据激光和通过它的功率而变化。光梁的传播将以不同的焦距改变系统的精度。因此，特定的传感器将提供不同的最佳焦距。较长距离的精度通常意味着更高的峰值功率或更低的分辨率。

许多LIDAR系统都可以定制。工程师决定最佳分辨率以捕获数据而不会过度工程？具有较低功率或较小孔的较低分辨率可能就足够了。复杂的LiDAR系统通常使用几种类型的LiDAR，允许自定义为站点和专门应用程序。

因此，针对这些问题进行了优化的空中传感器也可能会导致看到近距离物体。最重要的是，商业飞机应用中的精度通常还依赖于有关飞机对景观方向的GPS信息。当飞机分一分部分转动时，激光雷达会补偿。

陆地雷达通常比地形更感兴趣，因此要解决不同的问题。

在陆地上，LiDAR有两个类别。它们属于两个类别之一：移动应用程序，例如放置在车辆中的应用程序和固定应用。移动应用程序通常使用固态系统。固定应用程序可以选择固态，但根据应用程序可以选择机械激光雷达，包括具有360度视图的单元。

智慧城市的激光雷达解决方案

所有这些小型传感器选项对寻找合适的传感器来解决问题的城市工程师意味着什么？激光雷达很昂贵，不同的选择可能会令人困惑。选择合适的传感器是为特定应用程序获取正确信息的必要条件。

在大多数（但不是全部）情况下，智能城市传感器将是地面和固定的。做出确定可以限制选项数量，但是随着LiDAR快速发展，仍然有很多选择。随着硬件制造商的创新并为特定的壁ni而发展，通过可用的传感器进行分类变得更加复杂。可能有与您解决的问题相似的传感器，最适合您的应用程序。

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