想象一下，去年圣诞节，你开车去了一个偏远的旅游胜地——一个完全陌生的地方，却安全而自信地到达了目的地。这怎么可能呢？最有可能的答案是，你依赖谷歌地图，并借助车载先进的激光雷达技术。
现代车辆通常会在车载显示器上显示周围环境的 3D 彩色地图。这套实时地图系统为驾驶员提供了全面的视野，显著提升了安全性和导航性能。但这项创新技术的动力是什么呢？它被称为LiDAR 激光雷达，即光探测和测距。
想知道 LiDAR 的工作原理以及该系统的组成部件吗？让我们一起探索 LiDAR 激光技术的架构、工作原理和多样化应用。
LiDAR激光器的架构
标准 LiDAR 系统由四个主要组件组成：
- 发射器（光源）
- 接收器（光检测）
- 信号检测系统
- 数据采集与控制系统
LiDAR 架构可以采用两种主要方式配置：双轴或同轴。
- 双轴配置：发射器和接收器设置在不同的轴上。这种设置有助于避免近场背向散射辐射，否则可能会使光电探测器饱和。
- 同轴配置： LiDAR 激光束的轴与接收器光学元件对齐。这使得接收器能够检测到零距离仓中的激光束。在同轴系统中，可以通过门控光电探测器或使用快速快门或斩波器来控制近场背向散射，以阻挡干扰信号。
大多数现代 LiDAR 激光器都是单基的，采用双轴或同轴设置。这些配置的选择取决于所需的探测范围。同轴设置非常适合近场应用，可确保接收器的视场与激光束完全重叠。当不需要近场范围时，双轴配置是首选，因为它们有助于防止光电探测器因强烈的近场散射而饱和。扫描能力也会影响双轴和同轴设计的选择。
LiDAR 如何工作？
LiDAR 技术的工作原理很简单：测量激光脉冲击中物体并返回探测器所需的时间。通过计算传输时间并记录角度，系统可以精确绘制 3D 环境中物体的位置。
实现高精度极具挑战性，尤其是在跟踪快速移动平台或监测每秒数千个激光脉冲时。然而，激光雷达技术发展迅速。早期的商用系统体积庞大、结构复杂，每秒最多可处理 10,000 个点（10 kHz）。如今的激光雷达系统结构紧凑、重量轻，且精度极高，适用于各种应用。
LiDAR激光的应用
LiDAR激光技术凭借其精确的表面扫描能力，正在革新多个行业。以下是一些最具影响力的应用：
搜索和救援
LiDAR 激光擅长扫描表面，在搜救行动中发挥着至关重要的作用。这些传感器能够快速识别各种地形上的人员，使救援队能够高效地找到失踪人员——即使在夜间也是如此，因为 LiDAR 不依赖环境光。
矿业
在采矿业中，LiDAR 激光用于通过将当前地表数据与之前的扫描数据进行比较来测量矿物开采位置。这项技术提供了一种比传统测量方法更快、更安全、更经济的替代方案。配备 LiDAR 的移动测绘仪和地面激光扫描仪可降低采矿作业的风险、成本和时间。
交通扩张
城市规划人员利用激光雷达技术来设计和扩建火车站和公共交通网络。配备激光雷达的无人机可以扫描广阔的区域，提供详细的数据，为未来的基础设施发展提供参考，并优化交通系统。
气象
LiDAR 激光在气象学中发挥着至关重要的作用，它通过扫描大气来监测风速并分析大气变化。这项技术使气象学家能够研究云粒子、追踪天气模式并提高预报准确性。
可再生能源
随着世界转向可持续能源，LiDAR 激光器在优化太阳能和风能发电方面发挥着重要作用。LiDAR 有助于确定风向并确定太阳能电池板的最佳安装位置，从而最大限度地提高可再生能源的发电量。
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