圖1 激光雷達

激光雷達是一項成熟的技(jì )術，越來越多(duō)地部署在消費産(chǎn)品和無人駕駛車(chē)輛中(zhōng)。LIDAR 是 Light Detection And Ranging 的首字母縮寫詞。激光雷達系統已經使用(yòng)了 50 多(duō)年，但直到最近，此類系統的成本仍使它們無法在大衆市場中(zhōng)廣泛應用(yòng)。

盡管雷達在自動駕駛汽車(chē)技(jì )術（例如自适應巡航控制系統）中(zhōng)被廣泛應用(yòng)，但LIDAR被認為(wèi)是駕駛員輔助汽車(chē)的首選傳感器，因為(wèi)它可(kě)以精(jīng)确地映射位置和距離，從而檢測小(xiǎo)物(wù)體(tǐ)和3D成像。它使用(yòng)帶有(yǒu)飛行時間感應的脈沖激光和固态光來測量距離。激光雷達系統的表征要求在寬反射率動态範圍内補償傳感器對脈沖激光或固态光水平的響應。為(wèi)此，需要使用(yòng)已知和穩定反射率的大面積反射率漫反射目标闆。Labsphere（藍菲光學(xué)）的Permaflect漫反射塗層目标闆，範圍從5%到94%的反射率，使汽車(chē)制造商(shāng) OEM 及其供應商(shāng)能(néng)夠在廣泛的環境條件下表征和校準其 LIDAR 系統。

圖2 Labsphere（藍菲光學(xué)）的Permaflect漫反射塗層目标闆

激光雷達技(jì )術

激光雷達最基本的形式是激光測距儀，自20世紀80年代以來已廣泛應用(yòng)于軍事應用(yòng)。激光測距儀由一個脈沖激光器(發射器)和一個光電(diàn)探測器(接收器)組成。測距儀的設計可(kě)精(jīng)确測量距離(所謂的“測距”)，主要測量激光脈沖被反射和接收到探測器所花(huā)費的時間(這被稱為(wèi)“飛行時間”測量)。

測距儀對準目标物(wù)并發射激光脈沖。激光擊中(zhōng)目标，被散射，并且一部分(fēn)反射光由探測器測量。由于光速非常精(jīng)确，因此可(kě)以非常精(jīng)确地測量測距儀和目标物(wù)之間的距離。更先進的激光雷達系統使用(yòng)相同的原理(lǐ)，但使用(yòng)光學(xué)和移動或多(duō)個探測器在二維中(zhōng)映射目标。這些系統通常每秒(miǎo)脈沖數千次，每秒(miǎo)可(kě)以探測到數千個點。分(fēn)析該點雲的數據可(kě)以創建目标區(qū)域的準确映射。激光雷達的工(gōng)作(zuò)方式類似于雷達和聲納，它們分(fēn)别使用(yòng)無線(xiàn)電(diàn)波和聲波。來自雷達和聲納的數據可(kě)用(yòng)于以類似方式映射周圍環境，但激光雷達系統使用(yòng)的是較短波長(cháng)的紅外輻射，而不是較短波長(cháng)的無線(xiàn)電(diàn)波。由于使用(yòng)的波長(cháng)較短，激光雷達測量比雷達更準确。

部署在自動駕駛汽車(chē)上的激光雷達系統通常使用(yòng)掃描激光束和閃光技(jì )術來測量空間中(zhōng)相對于傳感器的 3D 點。這些激光雷達系統通常每秒(miǎo)發射數千個激光脈沖，以便車(chē)輛可(kě)以對行人和其他(tā)車(chē)輛等障礙物(wù)做出反應。激光雷達允許自動駕駛汽車(chē)以高精(jīng)度、高分(fēn)辨率和長(cháng)檢測距離傳送和接收物(wù)體(tǐ)和周圍環境的反射光。目前正在開發更先進的 AI（人工(gōng)智能(néng)）系統，用(yòng)來預測車(chē)輛和行人路徑，并做出相應反應。當您将 LIDAR 數據與定位信息（使用(yòng) GPS 或類似信息）相結合時，您就可(kě)以全面映射車(chē)輛周圍環境。

激光雷達的性能(néng)在很(hěn)大程度上取決于所使用(yòng)的激光功率和波長(cháng)。出于安(ān)全原因，可(kě)使用(yòng)的激光功率有(yǒu)一個上限。在沒有(yǒu)更高的激光功率的情況下，你可(kě)以使用(yòng)更高靈敏度的探測器，或者使用(yòng)波長(cháng)延伸到更遠(yuǎn)的紅外(IR)的激光。由于現有(yǒu)激光器的技(jì )術成熟，通常使用(yòng)的波長(cháng)為(wèi)850nm、905nm或1550nm。1550nm激光比其他(tā)選擇更安(ān)全，因為(wèi)超過1400nm的紅外輻射不會再通過眼睛的角膜，所以不會聚焦在視網膜上，但因水對1550nm的光吸收較強，1550nm要求更多(duō)的功率來補償。

消費電(diàn)子産(chǎn)品和自動駕駛汽車(chē)中(zhōng)的激光雷達

激光雷達作(zuò)為(wèi)關鍵性技(jì )能(néng)與攝像頭系統和其他(tā)傳感器一起在自動化中(zhōng)應用(yòng)。激光雷達系統已經在專業測繪和相關應用(yòng)中(zhōng)商(shāng)用(yòng)多(duō)年。然而，直到最近幾年，激光雷達才變得越來越普遍，這主要是由于自動駕駛汽車(chē)應用(yòng)（無人駕駛汽車(chē)）需要更小(xiǎo)、更便宜的設備。自上世紀90年代初以來，激光雷達已作(zuò)為(wèi)自适應巡航控制的基礎應用(yòng)于半自動駕駛汽車(chē)，而激光雷達首次應用(yòng)于自動駕駛汽車(chē)是在2005年。

在消費電(diàn)子領域，最新(xīn)一代的 Apple iPad Pro（以及現在的 iPhone 12 Pro）已将 LIDAR 傳感器集成到其攝像頭陣列中(zhōng)，專門用(yòng)于成像和增強現實 (AR) 應用(yòng)。LIDAR 傳感器可(kě)使 iPad 正确解析真實物(wù)體(tǐ)相對于由相機陣列成像的 AR 物(wù)體(tǐ)的位置。AR 還處于起步階段，因此 LIDAR 在智能(néng)手機和其他(tā)消費設備上的應用(yòng)還有(yǒu)待觀察，但人們對為(wèi)專業應用(yòng)開發的 AR 産(chǎn)生了極大的興趣，其中(zhōng) LIDAR 可(kě)以成為(wèi)非常有(yǒu)用(yòng)的增強功能(néng)。專業 AR 的應用(yòng)多(duō)種多(duō)樣，從幫助倉庫工(gōng)人找到最快、最安(ān)全的路徑到所需零件，到輔助工(gōng)程師了解複雜維修的過程。這些應用(yòng)中(zhōng)的激光雷達可(kě)精(jīng)确定位和對齊，這對于任何需要高精(jīng)度的應用(yòng)都很(hěn)重要。

漫反射目标闆在激光雷達系統測試與标定中(zhōng)的作(zuò)用(yòng)

多(duō)年來，Pro-Lite 和Labsphere（藍菲光學(xué)）多(duō)年來使用(yòng)漫反射闆一直在支持開發 LIDAR 系統開發。Labsphere（藍菲光學(xué)） 更緊湊的 Spectralon® 漫反射目标闆通常被軍方用(yòng)于測試激光測距儀。精(jīng)确校準的光譜反射率與近朗伯（漫反射）反射率相結合，意味着對于這些應用(yòng)，您有(yǒu)一個準确性、重複性的漫反射目标闆可(kě)在實驗室或現場測試您的系統。

用(yòng)于更大規模測繪或自動駕駛汽車(chē)應用(yòng)的激光雷達系統需要更大的目标區(qū)域。由于大多(duō)數自然物(wù)體(tǐ)都會漫反射光線(xiàn)，因此 Labsphere （藍菲光學(xué)）的漫反射材料是用(yòng)戶的自然選擇，可(kě)以提供質(zhì)量保證、現場測試和比較。Labsphere（藍菲光學(xué)） 開發了 Permaflect 目标闆，以滿足對大面積、耐用(yòng)和光學(xué)穩定目标闆材料的需求。大的漫反射目标闆尺寸（标準尺寸高達 1.2m x 2.4m）與校準的光譜反射率數據相結合，可(kě)以精(jīng)确測量 LIDAR 範圍。在 100m、200m、300m 等長(cháng)距離測試距離内，則需要更大的目标闆來反映目标上具(jù)有(yǒu)代表性的點數。

Permaflect 是一種噴塗漫反射塗層，可(kě)以将其應用(yòng)于大面積或 3D 形狀，從而可(kě)以模拟真實世界的物(wù)體(tǐ)。現實世界中(zhōng)很(hěn)少有(yǒu)物(wù)體(tǐ)像目标面闆一樣平坦，因此 Permaflect 塗層物(wù)體(tǐ)可(kě)以實現可(kě)重複的近朗伯反射率水平，例如，可(kě)以應用(yòng)于人體(tǐ)模型以模拟行人。

圖3 Labsphere（藍菲光學(xué)） Permaflect 噴塗人體(tǐ)模型

LIDAR 漫反射目标闆通常部署在室外，因此随着時間的推移，當漫反射目标闆的表面暴露在大氣中(zhōng)時，可(kě)以預期校準的反射率值會出現一些漂移。Labsphere （藍菲光學(xué)）的漫反射材料易于清潔。為(wèi)了考察是否有(yǒu)反射率的下降，可(kě)以使用(yòng)校準的反射率計（“反射率計”），它可(kě)原位測量漫反射目标闆反射率并将紅外反射率的任何變化考慮到内。漫反射目标闆反射率的變化将直接影響測量範圍。下圖顯示了不同漫反射目标闆反射率水平範圍内反射率變化對測量範圍的影響。反射率的微小(xiǎo)變化會對較低反射率目标闆的測量範圍産(chǎn)生很(hěn)大影響。例如，如果目标闆的反射率從5%降低到 4%，則原先 300 m的測量範圍将下降到30 m。實時了解情況發生的方法是測量目标闆的反射率，然後根據此調整修正您的計算。

圖4 Labsphere （藍菲光學(xué)）漫反射闆反射率測試儀（反射率計）

圖5 在300nm波長(cháng)下對物(wù)體(tǐ)反射率進行距離測量的模拟靈敏度

Labsphere（藍菲光學(xué)） 的激光雷達反射儀套件就是為(wèi)滿足這一要求而開發的。這款手持式反射計測量測量在三個波長(cháng)（使用(yòng)可(kě)互換的 850nm、905nm 或 1550nm LED）中(zhōng)的8°/半球反射率。觀看Labsphere 視頻庫中(zhōng)的短視頻。這可(kě)用(yòng)于驗證 Permaflect 目标闆或測試 LIDAR 系統的任何其他(tā)對象的反射率。

圖6 Labsphere 開發了 Permaflect 漫反射目标闆，以滿足對大面積、耐用(yòng)和光學(xué)穩定漫反射目标闆材料的需求。