什麼是光達 (LiDAR)？

光達 (LiDAR) 定義

光達 (LiDAR) 是「光偵測與測距」的縮寫。其運作原理是發射器發出雷射光，雷射光隨後會從環境中的物體反射回來。系統的接收器會偵測反射光，並透過測量光線往返每個物體所需的時間（稱為飛行時間），光達便能建立場景的詳細距離圖。

光達是一種光學技術，常被視為自動駕駛車輛距離感測的關鍵方法。許多製造商正致力於開發具成本效益的緊湊型光達系統。幾乎所有追求自動駕駛的生產商都將光達視為一項關鍵的促成技術，且部分光達系統已可用於先進駕駛輔助系統 (ADAS)。

光達如何運作並提供解決方案？

本質上，光達是一種測距裝置，用於測量到目標的距離。它透過發射短雷射脈衝，並記錄發射光脈衝與偵測到反射（後向散射）光脈衝之間的時間差來測量距離。

光達系統可使用掃描鏡、多個雷射光束或其他方式來「掃描」物體空間。憑藉提供精確距離測量的能力，光達可以解決許多不同的問題。

在遙測中，光達系統可以測量大氣中顆粒或分子的散射、吸收或再發射。為此，這些系統可能對雷射光束的波長有特定要求。例如，光達系統可以測量大氣中特定分子種類的濃度，例如甲烷和氣膠負載。光達還可以測量大氣中的雨滴，以估計風暴的距離和降雨率。

其他光達系統則提供物體空間中三維表面的輪廓。在這些系統中，探測雷射光束不與特定的光譜特徵相關。相反地，您可以選擇雷射光束的波長，以確保眼睛安全或避免大氣光譜特徵。探測光束遇到「硬目標」，目標會將其反射回光達接收器。

您也可以使用光達透過都卜勒技術或連續快速測量目標距離來確定目標的速度。例如，光達系統可以測量大氣風速和汽車速度。

此外，您可以使用光達系統建立動態場景的三維模型，例如自動駕駛車輛可能遇到的場景。您可以透過多種方式實現此目的，通常是使用掃描技術。

光達面臨哪些挑戰？

運作中的光達系統面臨一些眾所周知的挑戰，這些挑戰可能因系統的特定類型而異。一些常見的例子包括：

這些挑戰是積極研究與開發的重點，旨在提高光達技術的可靠性、安全性與經濟性。

光達的應用領域廣泛而多樣。大氣科學家使用光達來偵測多種類型的大氣成分。他們利用光達來表徵大氣中的氣溶膠、研究高層大氣風、描繪雲層輪廓、協助收集氣象資料，以及許多其他應用。

天文學家使用光達來測量距離，包括月球等遙遠物體以及非常近的物體。事實上，光達是將月球距離測量精度提高到毫米級的關鍵裝置。他們還使用光達為天文應用建立導星。

NOAA 科學家使用光達生成的產品來檢視自然和人造環境。光達資料支援洪水和風暴潮建模、水動力建模、海岸線測繪、緊急應變、水文測量和海岸脆弱性分析等活動。

此外，地形光達使用近紅外線雷射來繪製土地和建築物地圖，而水深測量光達則使用穿透水的綠光來繪製海底和河床地圖。農業產業使用光達來繪製地形和作物生長圖，這可以提供有關肥料需求和灌溉要求方面的資訊。考古學家使用光達來繪製茂密森林冠層下的古代交通系統地圖。

如今，科學家經常使用光達來建立光達感測器周圍世界的三維模型。自動導航是利用光達系統建立的點雲的一種應用。您甚至可以在手機等小型裝置中找到微型光達系統。

光達在實際應用中如何發揮作用？

光達的一個引人入勝的應用是針對自動導航等方面的態勢感知。任何移動車輛的態勢感知系統都需要感知其周圍的靜止和移動物體。例如，雷達長期以來一直用於偵測飛機。地面車輛製造商也發現光達非常有用，因為它可以確定物體距離，並且在方向性方面非常精確。他們可以將探測光束導向精確的角度，並快速掃描以建立三維模型的點雲。快速掃描的能力對於此應用至關重要，因為車輛周圍的環境是高度動態的。

Figure 5. Automobile sensors in self-driving cars use camera data, radar, and LiDAR to detect objects around them.

Figure 6. Autonomous car uses LiDAR sensors to detect surrounding buildings and cars.

軟體是光達系統建立和運作的每個環節的關鍵。這表示設計光達系統需要多種類型的軟體。

系統工程師需要輻射測量模型來預測回波光束的訊號雜訊比。光學工程師需要軟體來建立光學設計。電子工程師需要電子模型來建立電氣設計。機械工程師需要 CAD 軟體套件來完成系統佈局。工程師可能還需要結構和熱建模軟體。

光達系統的運作需要控制軟體和重建軟體，將點雲轉換為三維模型。Keysight 提供多種光學和光子工具，以支援光達系統和元件設計：