激光雷達(dá)遙感技術(shù)的最新進(jìn)展與未來展望

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
" n, ~: H# i& |  c3 U3 j. N) r激光探測(cè)與測(cè)距（LiDAR）技術(shù)改變了人類對(duì)三維世界的觀測(cè)和認(rèn)知方式。本文探討激光雷達(dá)遙感領(lǐng)域的最新發(fā)展和未來方向，介紹正在改變這一領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展和應(yīng)用[1]。
/ n" E. e  E9 N4 ], w$ u

. E3 {! `' t- k4 e# ^傳感器發(fā)展與創(chuàng)新
21世紀(jì)初，商用激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)入了快速發(fā)展期。全球各研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)推動(dòng)了激光雷達(dá)技術(shù)的重大進(jìn)步，使系統(tǒng)在多個(gè)性能指標(biāo)上得到提升，包括更長(zhǎng)的電池續(xù)航時(shí)間、更高的測(cè)距精度、更大的掃描范圍、更快的掃描頻率和更窄的光束發(fā)散角。2020年，蘋果公司發(fā)布的iPad Pro集成了激光雷達(dá)掃描儀，可以感知物體位置和三維空間深度信息，用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。

圖1：iPad Pro激光雷達(dá)掃描器示意圖。該圖展示了iPad Pro中集成的激光雷達(dá)掃描器，用于物體掃描和空間深度感知，實(shí)現(xiàn)了激光雷達(dá)技術(shù)在消費(fèi)電子產(chǎn)品中的實(shí)際應(yīng)用。)

在激光雷達(dá)傳感器技術(shù)發(fā)展中，高光譜和多光譜激光雷達(dá)系統(tǒng)展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)單波長(zhǎng)系統(tǒng)相比，這些先進(jìn)的傳感器可以同時(shí)收集多個(gè)光譜波段的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)三維空間和光譜信息探測(cè)的整合，為植被特征和其他地表特性研究提供了新的研究手段。
" [8 f  A  i" t, F* L2 e) @7 c( K
圖2：高光譜/多光譜激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集原理圖。該圖展示了多個(gè)波長(zhǎng)的激光束同時(shí)對(duì)地物進(jìn)行探測(cè)的過程，清晰說明了不同波長(zhǎng)在垂直方向上對(duì)目標(biāo)的探測(cè)機(jī)制，以及系統(tǒng)獲取空間和光譜綜合信息的工作原理。

% P, f4 R+ y4 u# s0 J" Q& q先進(jìn)激光雷達(dá)技術(shù)
9 X1 ~& z2 m& D( y( @. x固態(tài)激光雷達(dá)代表重要技術(shù)突破。與傳統(tǒng)機(jī)械掃描系統(tǒng)相比，固態(tài)激光雷達(dá)無需移動(dòng)部件，體積更小、更穩(wěn)定且成本更低。該技術(shù)采用多種實(shí)現(xiàn)方法，包括微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、閃光技術(shù)和光相控陣列（OPA）。汽車行業(yè)特別關(guān)注固態(tài)激光雷達(dá)，認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)在自動(dòng)駕駛應(yīng)用方面具有重要價(jià)值。

" j1 \- N- A0 `8 U% |' H% f& t量子激光雷達(dá)代表該領(lǐng)域最前沿的發(fā)展。通過利用量子信息技術(shù)，這些系統(tǒng)與傳統(tǒng)激光雷達(dá)相比具有更強(qiáng)的抗干擾能力、更高的靈敏度和分辨率。在單量子級(jí)別運(yùn)作的能力實(shí)現(xiàn)了極低的噪聲水平和更遠(yuǎn)的探測(cè)范圍，在探測(cè)微弱或隱身目標(biāo)方面表現(xiàn)優(yōu)異。

9 _; W+ {; Y- V) M7 R* I激光雷達(dá)大數(shù)據(jù)時(shí)代
9 S# s' m' }, H" Q' @# P6 D0 J隨著激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，多平臺(tái)海量數(shù)據(jù)采集正在進(jìn)行。各種激光雷達(dá)數(shù)據(jù)集的整合為該領(lǐng)域帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。

圖3：激光測(cè)高衛(wèi)星發(fā)展歷程圖。該圖展現(xiàn)了美國(guó)和中國(guó)在激光雷達(dá)衛(wèi)星領(lǐng)域的發(fā)展時(shí)間線，包括ICESat-2/ATLAS、GEDI、高分七號(hào)和TECIS-1等重要衛(wèi)星任務(wù)，清晰展示了空基激光雷達(dá)技術(shù)的演進(jìn)過程。

激光雷達(dá)大數(shù)據(jù)的管理和處理需要新的方法，包括：

建設(shè)綜合數(shù)據(jù)共享平臺(tái)

實(shí)施先進(jìn)深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行智能數(shù)據(jù)處理

開發(fā)高性能免費(fèi)點(diǎn)云處理軟件工具

整合來自不同平臺(tái)和傳感器的多源數(shù)據(jù)
' e: g3 J; E$ M; P0 l
應(yīng)用與未來方向
激光雷達(dá)技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用：
1. 衛(wèi)星任務(wù)與全球測(cè)繪：
現(xiàn)代激光雷達(dá)衛(wèi)星任務(wù)，如ICESat-2/ATLAS、GEDI以及中國(guó)的高分七號(hào)和陸地生態(tài)碳監(jiān)測(cè)衛(wèi)星（TECIS-1）正在提升全球地表測(cè)繪能力。這些任務(wù)推動(dòng)全球地表產(chǎn)品向更高精度和分辨率發(fā)展。

2. 自然資源監(jiān)測(cè)：
/ O8 j% ?; _& p- n8 ^/ U: e激光雷達(dá)將環(huán)境監(jiān)測(cè)從二維提升到三維空間。這項(xiàng)技術(shù)可以在多個(gè)尺度上對(duì)森林、土地利用、水資源和其他自然特征進(jìn)行詳細(xì)監(jiān)測(cè)，從單棵樹到整個(gè)景觀都能實(shí)現(xiàn)精確觀測(cè)。
. k! U& ?. r; p6 W3 p, o
& W# c8 f5 i: k, x2 e% t3. 智慧城市發(fā)展：
5 i5 q% a/ I; h  n激光雷達(dá)在智慧城市建設(shè)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，為城市規(guī)劃和管理提供高精度三維數(shù)據(jù)。與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和5G通信相結(jié)合，支持智能城市服務(wù)和管理的實(shí)現(xiàn)。

4. 自動(dòng)駕駛：
; y  E' B# X  ]. O4 x  I激光雷達(dá)傳感器在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中發(fā)揮基礎(chǔ)作用，提供：
: B$ P2 ^: W$ h( d, a  @: o

與GNSS和IMU系統(tǒng)結(jié)合的高精度定位

實(shí)時(shí)環(huán)境感知和障礙物檢測(cè)

厘米級(jí)高精度地圖制作

隨著技術(shù)發(fā)展和普及，這些應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒊掷m(xù)擴(kuò)大。
' @0 p) E6 v# R( [% U" U6 r, t& \, y

未來挑戰(zhàn)與機(jī)遇
. l- E2 L: U" U8 I- Z2 Y; h* K多個(gè)關(guān)鍵方面將推動(dòng)激光雷達(dá)技術(shù)的未來發(fā)展：
1. 技術(shù)發(fā)展：

激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)一步小型化和降低成本

提升固態(tài)激光雷達(dá)性能和可靠性

推進(jìn)量子激光雷達(dá)能力

增強(qiáng)高光譜/多光譜激光雷達(dá)系統(tǒng)

. K4 n5 r' P; y  l2 v# A$ _2. 數(shù)據(jù)處理：
, Q+ h8 @9 p+ \7 e0 `9 C$ n6 Z

開發(fā)更高效的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理算法

實(shí)施改進(jìn)的深度學(xué)習(xí)方法進(jìn)行特征提取

創(chuàng)建更好的多源激光雷達(dá)數(shù)據(jù)融合技術(shù)
3 e5 x. j7 x" ]7 m7 M
3. 應(yīng)用：

在新興領(lǐng)域擴(kuò)展激光雷達(dá)應(yīng)用

與其他傳感技術(shù)集成

在環(huán)境監(jiān)測(cè)和城市發(fā)展中開發(fā)新用例
& h- g: R) ~" d& ]) x2 j# X2 g! `( s* Z
: h1 G. [: r" m% j* P結(jié)論
激光雷達(dá)技術(shù)在傳感器設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理能力和應(yīng)用需求的推動(dòng)下持續(xù)發(fā)展。高光譜、固態(tài)和量子激光雷達(dá)系統(tǒng)等新技術(shù)正在擴(kuò)展這種遙感工具的能力和應(yīng)用范圍。展望未來，激光雷達(dá)與其他技術(shù)的集成以及更復(fù)雜數(shù)據(jù)處理方法的開發(fā)將在眾多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新的應(yīng)用和認(rèn)知。

在硬件、軟件和應(yīng)用領(lǐng)域的持續(xù)進(jìn)步將提供更強(qiáng)大和更易獲取的工具，用于理解和測(cè)量三維世界。激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展將在環(huán)境監(jiān)測(cè)、城市發(fā)展、自動(dòng)交通等眾多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，推動(dòng)各個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)革新和進(jìn)步。

- G$ g, l+ ?1 {- Z, c參考文獻(xiàn)
[1] C. Wang, X. Yang, X. Xi, S. Nie, and P. Dong, Introduction to LiDAR Remote Sensing. Boca Raton, FL: CRC Press, 2024.
5 h) Q2 T: V1 `! W. W8 n6 ^& ^+ Q+ C
END

: l; Y4 }* `% h" F2 Q7 B1 H& K/ H
軟件申請(qǐng)我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請(qǐng)?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
: P& V5 Z) m3 w7 P6 v7 w$ I, Q點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請(qǐng)
* x) B- Z3 L2 m3 i8 J2 N$ I
歡迎轉(zhuǎn)載

轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！

% U! }! J% `5 K% x
0 [1 i* Y( q1 Y3 X
4 B2 p, e. p% r; I9 Q6 X

* s3 [* I1 L& z  Q9 h5 W5 B$ g關(guān)注我們

$ Z& p$ d6 u, C$ C

6 o4 _4 A$ T- I8 H

/ g+ W; h" L; W2 Y

                     

* S7 _  \4 l  ]+ x6 p; O( [) p" F

/ M( e3 k% p8 T+ M' H# Y關(guān)于我們：
* c$ B$ r8 R) I) I0 P深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。

http://www.latitudeda.com/
（點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）