作者：Pro-Lite Technology Ltd 產(chǎn)品經(jīng)理 Russell Bailey 和 Labsphere Inc 首席技術(shù)專家兼產(chǎn)品營銷經(jīng)理 Greg McKee

圖1 激光雷達(dá)

激光雷達(dá)是一項成熟的技術(shù)，越來越多地部署在消費產(chǎn)品和無人駕駛車輛中。 LIDAR 是?Light?Detection?and?Ranging 的首字母縮寫詞。激光雷達(dá)系統(tǒng)已經(jīng)使用了 50 多年，但直到最近，此類系統(tǒng)的成本仍使它們無法在大眾市場中廣泛應(yīng)用。

盡管雷達(dá)在自動駕駛汽車技術(shù)（例如自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)）中被廣泛應(yīng)用，但LIDAR被認(rèn)為是駕駛員輔助汽車的首選傳感器，因為它可以精確地映射位置和距離，從而檢測小物體和3D成像。它使用帶有飛行時間感應(yīng)的脈沖激光和固態(tài)光來測量距離。激光雷達(dá)系統(tǒng)的表征要求在寬反射率動態(tài)范圍內(nèi)補償傳感器對脈沖激光或固態(tài)光水平的響應(yīng)。為此，需要使用已知和穩(wěn)定反射率的大面積反射率漫反射目標(biāo)板。Labsphere的permaflect漫反射涂層目標(biāo)板，范圍從5%到94%的反射率，使汽車制造商 OEM 及其供應(yīng)商能夠在廣泛的環(huán)境條件下表征和校準(zhǔn)其 LIDAR 系統(tǒng)。

激光雷達(dá)技術(shù)

激光雷達(dá)最基本的形式是激光測距儀，自20世紀(jì)80年代以來已廣泛應(yīng)用于軍事應(yīng)用。激光測距儀由一個脈沖激光器(發(fā)射器)和一個光電探測器(接收器)組成。測距儀的設(shè)計可精確測量距離(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費的時間(這被稱為“飛行時間”測量)。

測距儀對準(zhǔn)目標(biāo)物并發(fā)射激光脈沖。激光擊中目標(biāo)，被散射，并且一部分反射光由探測器測量。由于光速非常精確，因此可以非常精確地測量測距儀和目標(biāo)物之間的距離。更先進(jìn)的激光雷達(dá)系統(tǒng)使用相同的原理，但使用光學(xué)和移動或多個探測器在二維中映射目標(biāo)。這些系統(tǒng)通常每秒脈沖數(shù)千次，每秒可以探測到數(shù)千個點。分析該點云的數(shù)據(jù)可以創(chuàng)建目標(biāo)區(qū)域的準(zhǔn)確映射。激光雷達(dá)的工作方式類似于雷達(dá)和聲納，它們分別使用無線電波和聲波。來自雷達(dá)和聲納的數(shù)據(jù)可用于以類似方式映射周圍環(huán)境，但激光雷達(dá)系統(tǒng)使用的是較短波長的紅外輻射，而不是較短波長的無線電波。由于使用的波長較短，激光雷達(dá)測量比雷達(dá)更準(zhǔn)確。

部署在自動駕駛汽車上的激光雷達(dá)系統(tǒng)通常使用掃描激光束和閃光技術(shù)來測量空間中相對于傳感器的 3D 點。這些激光雷達(dá)系統(tǒng)通常每秒發(fā)射數(shù)千個激光脈沖，以便車輛可以對行人和其他車輛等障礙物做出反應(yīng)。激光雷達(dá)允許自動駕駛汽車以高精度、高分辨率和長檢測距離傳送和接收物體和周圍環(huán)境的反射光。目前正在開發(fā)更先進(jìn)的 AI（人工智能）系統(tǒng)，用來預(yù)測車輛和行人路徑，并做出相應(yīng)反應(yīng)。當(dāng)您將 LIDAR 數(shù)據(jù)與定位信息（使用 GPS 或類似信息）相結(jié)合時，您就可以全面映射車輛周圍環(huán)境。

激光雷達(dá)的性能在很大程度上取決于所使用的激光功率和波長。出于安全原因，可使用的激光功率有一個上限。在沒有更高的激光功率的情況下，你可以使用更高靈敏度的探測器，或者使用波長延伸到更遠(yuǎn)的紅外(IR)的激光。由于現(xiàn)有激光器的技術(shù)成熟，通常使用的波長為850nm、905nm或1550nm。1550nm激光比其他選擇更安全，因為超過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(wǎng)膜上，但因水對1550nm的光吸收較強，1550nm要求更多的功率來補償。

消費電子產(chǎn)品和自動駕駛汽車中的激光雷達(dá)

激光雷達(dá)作為關(guān)鍵性技能與攝像頭系統(tǒng)和其他傳感器一起在自動化中應(yīng)用。激光雷達(dá)系統(tǒng)已經(jīng)在專業(yè)測繪和相關(guān)應(yīng)用中商用多年。然而，直到最近幾年，激光雷達(dá)才變得越來越普遍，這主要是由于自動駕駛汽車應(yīng)用（無人駕駛汽車）需要更小、更便宜的設(shè)備。自上世紀(jì)90年代初以來，激光雷達(dá)已作為自適應(yīng)巡航控制的基礎(chǔ)應(yīng)用于半自動駕駛汽車，而激光雷達(dá)首次應(yīng)用于自動駕駛汽車是在2005年。

在消費電子領(lǐng)域，最新一代的 Apple iPad Pro（以及現(xiàn)在的 iPhone 12 Pro）已將 LIDAR 傳感器集成到其攝像頭陣列中，專門用于成像和增強現(xiàn)實 (AR) 應(yīng)用。 LIDAR 傳感器可使 iPad 正確解析真實物體相對于由相機陣列成像的 AR 物體的位置。 AR 還處于起步階段，因此 LIDAR 在智能手機和其他消費設(shè)備上的應(yīng)用還有待觀察，但人們對為專業(yè)應(yīng)用開發(fā)的 AR 產(chǎn)生了極大的興趣，其中 LIDAR 可以成為非常有用的增強功能。專業(yè) AR 的應(yīng)用多種多樣，從幫助倉庫工人找到最快、最安全的路徑到所需零件，到輔助工程師了解復(fù)雜維修的過程。這些應(yīng)用中的激光雷達(dá)可精確定位和對齊，這對于任何需要高精度的應(yīng)用都很重要。

漫反射目標(biāo)板在激光雷達(dá)系統(tǒng)測試與標(biāo)定中的作用

多年來，Pro-Lite 和Labsphere多年來使用漫反射板一直在支持開發(fā) LIDAR 系統(tǒng)開發(fā)。 Labsphere 更緊湊的 Spectralon? 漫反射目標(biāo)板通常被軍方用于測試激光測距儀。精確校準(zhǔn)的光譜反射率與近朗伯（漫反射）反射率相結(jié)合，意味著對于這些應(yīng)用，您有一個準(zhǔn)確性、重復(fù)性的漫反射目標(biāo)板可在實驗室或現(xiàn)場測試您的系統(tǒng)。

用于更大規(guī)模測繪或自動駕駛汽車應(yīng)用的激光雷達(dá)系統(tǒng)需要更大的目標(biāo)區(qū)域。由于大多數(shù)自然物體都會漫反射光線，因此 Labsphere 的漫反射材料是用戶的自然選擇，可以提供質(zhì)量保證、現(xiàn)場測試和比較。 Labsphere 開發(fā)了 Permaflect 目標(biāo)板，以滿足對大面積、耐用和光學(xué)穩(wěn)定目標(biāo)板材料的需求。大的漫反射目標(biāo)板尺寸（標(biāo)準(zhǔn)尺寸高達(dá) 1.2m x 2.4m）與校準(zhǔn)的光譜反射率數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以精確測量 LIDAR 范圍。在 100m、200m、300m 等長距離測試距離內(nèi)，則需要更大的目標(biāo)板來反映目標(biāo)上具有代表性的點數(shù)。

Permaflect 是一種噴涂漫反射涂層，可以將其應(yīng)用于大面積或 3D 形狀，從而可以模擬真實世界的物體?，F(xiàn)實世界中很少有物體像目標(biāo)面板一樣平坦，因此 Permaflect 涂層物體可以實現(xiàn)可重復(fù)的近朗伯反射率水平，例如，可以應(yīng)用于人體模型以模擬行人。

圖2 Labsphere Permaflect 噴涂人體模型

LIDAR 漫反射目標(biāo)板通常部署在室外，因此隨著時間的推移，當(dāng)漫反射目標(biāo)板的表面暴露在大氣中時，可以預(yù)期校準(zhǔn)的反射率值會出現(xiàn)一些漂移。 Labsphere 的漫反射材料易于清潔。為了考察是否有反射率的下降，可以使用校準(zhǔn)的反射率計（“反射率計”），它可原位測量漫反射目標(biāo)板反射率并將紅外反射率的任何變化考慮到內(nèi)。漫反射目標(biāo)板反射率的變化將直接影響測量范圍。下圖顯示了不同漫反射目標(biāo)板反射率水平范圍內(nèi)反射率變化對測量范圍的影響。反射率的微小變化會對較低反射率目標(biāo)板的測量范圍產(chǎn)生很大影響。例如，如果目標(biāo)板的反射率從5%降低到 4%，則原先 300 m的測量范圍將下降到30 m。實時了解情況發(fā)生的方法是測量目標(biāo)板的反射率，然后根據(jù)此調(diào)整修正您的計算。

圖3 Labsphere 漫反射板反射率測試儀（反射率計）

圖4 在300nm波長下對物體反射率進(jìn)行距離測量的模擬靈敏度

Labsphere 的激光雷達(dá)反射儀套件就是為滿足這一要求而開發(fā)的。這款手持式反射計測量測量在三個波長（使用可互換的 850nm、905nm 或 1550nm LED）中的8°/半球反射率。觀看Labsphere 視頻庫中的短視頻。這可用于驗證 Permaflect 目標(biāo)板或測試 LIDAR 系統(tǒng)的任何其他對象的反射率。

Labsphere 開發(fā)了 Permaflect 漫反射目標(biāo)板，以滿足對大面積、耐用和光學(xué)穩(wěn)定漫反射目標(biāo)板材料的需求。