LiDAR如何构建3D点云？如何利用LiDAR提供深度信息

我们可通过传感威廉希尔官方网站 来获取有关周围环境的信息，从而使我们的日常生活受益：提高任务效率，增强安全性，或纯粹出于娱乐目的。LiDAR是这样一种传感威廉希尔官方网站 ，使用激光来测量到物体的距离，并可用于创建周围环境的3D模型。LiDAR 系统捕获的图像中的每个像素都将具有与之关联的深度。这样可以更好地识别物体，并消除仅采用图像传感器获得的2D图像中可能存在的模糊。

LiDAR如何构建3D点云？

LiDAR 通常使用直接飞行时间(dToF)威廉希尔官方网站 来测量到物体的距离。短的激光脉冲发出后，其中的一些光被场景中的对象反射回并被传感器如ArrayRDM-0112A20-QFN探测到，以准确记录激光脉冲往返所用时间（见图1）。使用已知的光速，基于此dToF测量可计算出距离。这是视场内的单距离测量。

为了构建周围环境的完整图片，需要在场景中的许多不同位置重复进行此点测量。这可通过安装固定的传感器和让激光在整个场景中旋转和扫描，或使用光束操控(beam steering)威廉希尔官方网站 如微机电系统 (MEMS) 镜来实现。

图1：dToF威廉希尔官方网站 示意图

LiDAR系统通常依赖于以下关键组件：照明源，传感器，光学器件，光束操控，信号处理和电源管理（图2）。在性能方面，最关键的要素是照明源和传感器。照明通常受用眼安全考量的限制，因此对系统性能的最大影响通常取决于传感器。

图2：剖析含传感器的dToF LiDAR系统

在许多场景下，系统运行只有有限的信号返回，从远处或低反射率物体返回的信号可能只包含少量的光子。因此，传感器应尽可能灵敏。

LiDAR传感器的灵敏度受不同因素综合影响。首先，最重要的是探测效率，即入射光子将产生信号的概率。然后是对低入射通量或最小可检测信号的灵敏度。某些传感器如PIN二极管没有内部增益，因此单个探测到的光子将不会记录传感器固有噪声以上的信息。

雪崩光电二极管(APD)具有一定的内部增益（〜100x），但是，由少量光子组成的入射信号不会记录噪声以上的信息，这要求它在一定的持续时间内对返回的信号进行整合。工作在盖革(Geiger)模式下的传感器，如硅光电倍增管(SiPM) 和单光子雪崩二极管(SPAD)的内部增益约百万级(1,000,000x)，因此，单个光子也会产生信号，即使在内部传感器噪声以上的信息也能可靠地探测到。这允许设置一个低阈值来探测最微弱的返回信号。

虽然SiPM和SPAD由于高增益而克服了许多噪音问题，但在实际的LiDAR应用中还需考虑到另一个噪声源-环境太阳光或处于阳光下。我们常力求探测非常微弱的LiDAR返回信号，同时受到不想要的太阳光照射。因此，问题变成了最大化其中的一个信号(返回的激光)，同时忽略或最小化噪声(阳光)。一种方法是利用传感器的单光子灵敏度，并寻找时间相关的光子。

这种多次dToF测量的方法是通过多次重复该过程(每次通过多个激光脉冲得出一个dToF测量值)来实现的。无需为每次测量计算距离，而是将每个飞行时间(ToF)值添加到直方图或分布图。结果是一个如图3所示的曲线图。

背景计数在时间上不相关-也就是说，相对于脉冲发射时间，它们在时间上随机到达。这些计数可以忽略不计，因为它们是由于阳光引起的噪声。峰值代表时间相关的计数-大量计数都以相同的时间值到达，表明是来自目标的信号。该峰值可以转换为特定帧的距离，且该过程可再次开始。即使每帧每像素有几十个激光周期，也可以实现30 fps的帧速率。

图3：LiDARToF直方图例

尽管SiPM 或SPAD传感器可通过结合单光子灵敏度与时间相关威廉希尔官方网站 来查看微弱的返回信号，但PIN二极管或APD传感器会丢失在太阳背景中丢失的计数。因此，用这些其他传感器类型进行测距根本无法达到那么远或那么高效。

现实世界中如何利用深度信息？LiDAR如何提供帮助？

迄今为止，消费者移动应用程序仅通过图像传感器威廉希尔官方网站 如使用结构光就已启用了许多功能。飞行时间(ToF)威廉希尔官方网站 已在某种程度上被整合到手机中数年，以添加深度感知并赋能摄影功能，如快速自动对焦和“散景”人像效果。

最近，dToF成像LiDAR传感器已集成到最新的消费类移动设备中，它比以前的威廉希尔官方网站 提供更好的深度信息，且无疑将大大增加利用此数据的移动应用程序数。3D信息可用于实现3D绘图应用程序和改进的扩增实境和虚拟实境(AR / VR)体验。

在汽车和工业应用中，安全性很重要，仅用图像传感器识别物体然后进行自动决策和导航有局限性，这凸显了需要通过融合不同的传感模式来获取更多信息。LiDAR结合其他传感威廉希尔官方网站 如相机、超声波和雷达，可提供更多的冗余，从而提高负责导航或与环境交互的决策算法的置信度。这些威廉希尔官方网站 中的每一种都有独特的特性，可提供不同层面的信息，在不同情形下各有利弊。

图4：对比不同的传感器威廉希尔官方网站

要在汽车中启用高性能LiDAR系统，高度灵敏的传感器如SiPM是最高效的接收器。安森美半导体的SiPM提供了无与伦比的性能和工作参数：高光子探测效率，低噪声和暗计数率结合低工作电压，感温性和工艺一致性。

ArrayRDM-0112A20-QFN是12像素线阵SiPM，解决市场对LiDAR的需求。它在905 nm处具有领先业界的18％光子探测效率，905 nm是高性价比的广泛LiDAR系统市场的典型波长。此外，它是市场上首个商用现货线阵SiPM和首个符合车规的 SiPM。

编辑：hfy