一等奖作品选登
作者：戢伟航1120231884、龙中涛1120232962、陈昱丞1320231100、王子欣1120233460
神奇的激光雷达
“Them bats is smart. They use radar!”—David Letterman
一、溯源
19世纪末，电磁波的探索引领了雷达技术的萌芽。1886年，赫兹实验证明了无线电波的反射性质，为雷达奠定了基础。20世纪初，阿普尔顿的无线电测距实验点燃了雷达的探索热情。30年代，英国的“Chain Home”雷达站在不列颠战役中发挥了关键作用。二战期间，高功率微波雷达和脉冲压缩雷达等技术带来了战术革命。战后，雷达技术持续发展，多普勒原理的应用提升了雷达系统的设计和运行水平。80、90年代见证了雷达技术在军事和民用领域的广泛应用。随着21世纪的到来，雷达技术不断演进，为军事、航空航天和气象领域带来无限潜力。
二、大自然的侦探
蝙蝠是夜间的小侦探，利用回声定位的生物声纳系统来导航和捕食。它们发出超声波并监听回音，以定位食物和障碍物。蝙蝠的叫声频率超出了人类听觉范围，常在20到200千赫兹之间。蝙蝠通过恒定频率（CF）呼叫和频率调制（FM）呼叫获取周围环境信息，包括目标大小、距离和速度。它们敏感的耳朵和大脑帮助解释回声并准确识别目标，甚至可以微调呼叫频率，避免与障碍物碰撞。蝙蝠的回声定位系统在复杂环境中表现出色，如在浓密植被中捕食，它们可以调整呼叫频率，避免与树木相撞。这种自然雷达系统使蝙蝠成为夜间捕食的高手，能够在黑暗中精准地找到猎物。
图1 一种模仿回声定位的雷达系统
三、神奇雷达的秘密元素
雷达能够“看到”我们看不到的东西。而支撑这项神奇技艺的，是雷达系统中的五个基本要素：发射机、双工器、天线、接收机和显示器。
发射机：雷达的魔法源泉
发射机负责生成射频功率信号，照射目标。它可以产生连续波（CW）或脉冲信号，根据不同的雷达需求量身定制。有两种主要的生成方式：功率振荡器方法，直接将所需功率级别的信号传递给天线；主振荡器方法，先产生较低功率的射频信号，再将其放大到合适的级别。
双工器：雷达的多面手
双工器包含两个气体放电装置：发射-接收（TR）和抗发射-接收（ATR）。这些装置快速响应，保护接收机不受高功率雷达信号的干扰，并将回波信号引导到接收机。
天线：雷达的魔法杖
通过天线，信号被集中到一个窄波束中，精确指向目标。常见的是抛物面天线，通过馈源天线馈送信号。天线可以机械或电子方式扫描，将信号投射到特定方向，捕捉回波信号。
接收机：雷达的耳朵
接收机通常采用超外差型设计，包括低噪声射频放大器、混频器、中频放大器、视频放大器和显示单元。接收机将接收到的微弱能量处理和放大，最终输出到显示器上。
显示器：雷达的魔法镜
显示器是雷达的魔法镜，将回波信号转化为直观的图像。连接到接收机的视频输出，显示器有多种类型：A-scope、B-scope、C-scope、E-scope、范围高度指示器（RHI）和平面位置指示器（PPI）等。每种显示器都有不同的用途，帮助操作员解读信息并采取行动。就像魔术师通过魔法镜观察世界，显示器让雷达信息一目了然。
这些元素各司其职，协同工作，共同完成雷达的神奇任务。通过发射、接收和处理信号，雷达系统揭示了隐藏在我们视野之外的世界，带来无穷的惊喜与可能。
图2 一些常用的雷达显示器类型
四、激光雷达的应用领域
随着技术的不断发展与普及，激光雷达的应用领域也越来越广泛，无人驾驶、人工智能、军事、3D打印、VR/AR等众多场景都可以看到它的身影。下面简单介绍其中几个领域的应用。
1.自动驾驶汽车
激光雷达作为三维传感器，是车辆“大脑中枢”做出判断前期的基础数据来源之一，车辆大脑将数据转换为有用信息，再发出行为指令。作用具体有以下几点：
1.1障碍物检测与定位：激光雷达可以精确地探测车辆周围的障碍物，包括其他车辆、行人、建筑物等，帮助自动驾驶汽车实现环境感知和避障功能。
图3 激光雷达在汽车上的应用
1.2环境地图构建：激光雷达通过扫描周围环境，可以生成高精度的三维地图，为自动驾驶汽车提供地图数据支持，帮助车辆定位和路径规划。
2.环境生态监测
近年来，环境问题广受大家关注，而激光雷达已成为在测风速、水土流失、沙尘暴观测、海洋环境观测等方面的一种先进主流检测手段。
具有高分辨率、高精度、大探测范围等特性的激光雷达，可详细反映所测场地的形态，轻松实现三维建模，从而真正实现了非接触式测量，扩大可探测范围的同时降低了外业危险。
下图为大气激光雷达，它利用激光为光源，以光电探测器为接收器件，以光学望远镜为天线，通过发射激光脉冲与大气中的气溶胶和各种成分相互作用，产生后向散射信号系统中的探测器会接收回波信号，然后对其进行处理分析，从而得到所需的大气物理要素。在气象学领域，它可以用于探测大气中的气溶胶、水蒸气、温度、湿度等参数，了解大气的组成和结构。在环境检测方面，大气激光雷达可以用于检测空气质量、污染物扩散、温室气体排放等。
图4 大气激光雷达
3.VR/AR/XR
在用到AR头显进行的游戏中，运用的空间感知定位技术里面会用到激光雷达和许多配套的光学传感器，通过SLAM技术（即时定位与地图构建），精准定位自己在三维空间中的位置，增强在游戏中的真实体验感。
图5 VR
五、绝赞优势
激光雷达在自动驾驶汽车中具有准确的测距能力，这是由于它能够通过处理接收到的激光返回信号来精确测量距离。此外，激光雷达在提供物体的物理描述方面具有高度可靠的信息，包括位置、速度和形状等。因此，激光雷达在自动驾驶汽车中被广泛应用于目标检测、分类、跟踪和意图预测等方面，为车辆提供重要的环境感知信息。
图6 目标检测
六、娇生惯养的吞金兽
激光雷达技术在汽车领域应用中存在成本问题，主要是因为当前高级自动驾驶车辆普遍采用激光雷达作为其感知系统的一部分，尽管激光雷达具有高成本和易损件的特点。此外，激光雷达的成本也受到其所采用的技术和组件的影响。例如，激光雷达的激光源和接收器电子设备的性能和成本也会影响整体成本。此外，激光雷达系统中的光电探测器也会影响成本，因为不同类型的光电探测器具有不同的成本和性能特点。因此，激光雷达技术在汽车应用中面临成本挑战，需要不断的技术创新和成本优化。
目前，为了克服成本方面的挑战，许多公司专注于固态扫描系统的研发。例如，Innoviz、Continental和Quanergy等公司正在开发MEMS、Flash和OPA激光雷达。此外，一些公司还在尝试使用SPAD阵列来增加最大检测范围，这些阵列可以在单光子检测模式下工作。Ouster OS-1 64 4采用了基于CMOS的SPAD来检测由2D VCSEL激光阵列发射的850nm激光。此外，Toyota制造了一个包含CMOS SPAD阵列（202x96像素）的激光雷达原型，而Princeton Lightware和SensL等公司也在开发SPAD激光雷达原型。这些技术的应用有助于降低成本并提高系统的稳健性。
七、神奇的应用前景
激光雷达技术在未来的发展前景备受关注，尤其在自动驾驶领域具有巨大潜力。目前，许多公司正在开发各种不同类型的LiDAR系统，从传统的机械旋转式LiDAR到固态扫描系统，以及光学相控阵（OPA）LiDAR等技术。这些LiDAR系统在自动驾驶中扮演着重要角色，用于环境感知、物体检测、分类、跟踪和意图预测等任务。随着深度学习等新兴技术的发展，LiDAR感知系统的处理算法也在不断演进，为提高自动驾驶系统的性能和可靠性提供了新的可能性。
未来，随着LiDAR技术的不断创新和进步，预计LiDAR在自动驾驶领域的应用将更加广泛。激光雷达（LiDAR）在农业中的应用、功能超疏水表面的制备、LiDAR在恶劣天气条件下的感知、光伏场景的遥感技术、自动驾驶车辆中的LiDAR技术、激光微/纳米加工技术、建筑遗产保护中的3D LiDAR和多技术协作、激光增材制造中的光束成形技术以及激光冲击效应在表面处理中的应用。这些领域都提供了丰富的研究方向和未来发展方向，涉及到农业、制造业、能源、交通等多个领域，为科研人员提供了广阔的研究空间和挑战。
图7 LiDAR技术示意
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