【圖文】無人機鐳射雷達感測器的發展趨勢：雲層中快速處理鐳射影象

文/OFweek鐳射

僅在幾年前，無人機檢測系統還需要飛行器、大型鐳射雷達感測器和機組人員配合才能完成影象的捕捉。透過機載鐳射雷達感測器及複雜的軟體，在雲層中快速處理鐳射雷達影象，為使用者提供決策參考。隨著鐳射雷達感測器的快速發展，這種現象已經得到很大改觀。

據瞭解，無人機鐳射雷達領域正持續保持快速增長，尤其是在過去2年。在很短的時間內，全球最佳飛行器鐳射雷達感測器製造商已經為小型無人機設計了各式各樣鐳射雷達感測器產品。

這些UAV鐳射雷達感測器的輸出功率非常出色，而隨著越來越多的製造商進入這一領域，這些感測器也不斷得到改進。在未來的幾年裡，我們將看到大部分鐳射雷達感測器用於無人機（UAVs）領域。

在這篇文章中，我們將介紹10款用於小型無人機的最佳鐳射雷達感測器。這些鐳射雷達感測器製造商包括Velodyne、Routescene、Leddartech、Riegl、YellowScan以及Geodetics。我們還將討論鐳射雷達技術的諸多優點，以及鐳射雷達感測器在採礦、林業、測量、以及製圖等不同領域的應用。

關於鐳射雷達感測器技術

鐳射雷達 - 光感測距技術（Lidar）是一種遙感技術，通常使用脈衝鐳射束對周圍環境進行掃描，並且測量訊號從掃描物件返回到檢測器的時間。

鐳射時間測距原理（ToF）可用於測量從一米到幾公里的距離。為了增加鐳射雷達系統的測量範圍，可以使用不可見的近紅外鐳射脈衝。這些鐳射器的功率遠遠高於連續波鐳射器，同時也是符合人眼安全要求的鐳射功率。

在掃描過程中，鐳射雷達系統將掃描各個距離點，根據這些點則可以計算出周圍環境的3D影象。鐳射掃描器使用偏轉鏡偏轉鐳射束，這使得它們能夠實現非常寬的視野（FOV）。

目前大多數無人機鐳射雷達系統可以圍繞軸線旋轉，並提供360度的可視性。並能夠實現非常高的資料速率，每秒超過一百萬個點距離。

鐳射雷達感測器的工作原理

1．發射鐳射脈衝；

2．記錄回波訊號；

3．距離測量（飛行時間x光速）；

4．檢索平面位置和高度；

5．精確計算回波位置。

無人機鐳射雷達感測器用途

1、無人機防撞雷達感測器

在鐳射雷達感測器中，單個裝置集成了多個獨立元件，並將生成關鍵的測距資料，以便進行精確定位和安全導航。鐳射雷達感測器在廣泛的視野中具有障礙物檢測功能，使其成為感知與規避解決方案的理想選擇。鐳射雷達是汽車防撞以及無人駕駛汽車的領先技術。

防撞技術現在已經滲透到了消費者無人機領域，其中包括高度創新的大疆Phantom 4 Pro（使用了2個超聲波感測器和4個單目鏡感測器），以及Yuneec Typhoon H Pro（使用了英特爾RealSense R200 3D攝像機）都具備防撞功能。

2、地面和地表影象鐳射雷達感測器

最新的鐳射雷達感測器具有整合的光學高度計技術，可在高於地面水平的情況下提供準確的距離測量，同時還能滿足UAV廠商對尺寸、重量以及成本的要求。

農林業可以使用鐳射雷達來檢查葉片和作物等植物生長情況。此外，可以透過去除地表影象（例如森林林冠部分）以觀察地表區域。

3、鐳射雷達結構檢測

最好的鐳射雷達感測器具有強大的內建訊號處理、大視野和多段測量功能，可以產生關鍵的距離資料以及進行高效的障礙物檢測，從而在執行結構檢查時實現安全導航。

4、夜間鐳射雷達感測器

鐳射雷達感測器也被稱為鐳射掃描，能在低對比度或陰暗的情況下、甚至是夜晚進行運作。

鐳射雷達無人機使用簡介

農林業；

考古和文化遺產文獻；

通道製圖：電力線、鐵路軌道和管道檢查；

露天開採測繪學；

施工現場監測；

建築和結構檢查；

城市環境調查；

資源管理；

防撞；

海岸線和風浪建模；

流體力學建模；

數字高程模型。

多光譜和拍攝測量影象

鐳射雷達、多光譜和拍攝測量影象都是密切的相關技術。在一些領域以及某些情況下，需要透過上述3個影象以對地形、植被或結構進行全面分析。

ToF 3D相機（瞬動鐳射雷達）

在某些情況下，你可能會聽到人們談論瞬動鐳射雷達。ToF相機感測器通常被稱為瞬動鐳射雷達。但其技術和用途有很大差異。

ToF是無掃描器，意味著整個場景都是用單個光脈衝進行拍攝的，而不是使用旋轉的鐳射束逐點拍攝。ToF相機採用專用影象感測器捕獲整個三維場景，因此無需移動部件。

在瞭解了無人機鐳射雷達感測器的原理及主要應用之後，接下來將為你盤點十大無人機鐳射雷達感測器產品，並具體介紹它們的效能引數，以供參考：

一、LeddarTech - Vu8鐳射雷達感測器

LeddarTech Vu8是一種緊湊的固態鐳射雷達，可在八個獨立部分提供高精度的多目標檢測。檢測目標在215米範圍內，而重量只有75克，Vu8於Leddar M16相比，提供了將近兩倍的量程。

Vu8使用了固定的鐳射光源，從而顯著提高了感測器的穩定性和成本效益。Vu8具有較高的抗噪聲和抗干擾能力。這意味著它不受其他感測器的訊號影響，包括陽光直射在內的照明條件影響，並且可以在各種天氣條件（包括雨雪）下提供可靠的檢測。

Vu8感測器特別適用於駕駛員輔助、半自動和自動車輛中的導航和防撞應用，如無人機、卡車、建築和採礦用重型裝置、班車、公共汽車以及其他公共交通工具。

諸如先進的交通管理系統（ATMS）等需求較遠距離和廣泛視野的應用也將從新的Vu8感測器中大大受益。

Vu8鐳射雷達感測器的特點和優勢：

檢測範圍高達215 m（≈700 ft）；

緊湊輕巧（約75克）；

8個具有同步採集和橫向辨別能力的獨立部分；

20°、48°以及100°波束寬度選擇，用於最佳化視野；

快速重新整理率高達100 Hz；

免疫環境光；

為了極致牢固性，沒有任何移動部件；

易於整合，包括Leddar Enabler SDK；

基於模組化的LeddarVu平臺，可進行靈活的整合和定製；

最佳價效比。

二、Velodyne - 3種最佳無人機鐳射雷達感測器

Velodyne公司提供了一整套能夠獲取最準確實時3D資料的感測器。他們開發的感測器能構建一個完整的360度視野環境檢視，可用於自動車輛、工業裝置、3D地圖以及監視等用途。Velodyne擁有3種無人機鐳射雷達感測器。

1、HDL-32E鐳射雷達感測器

HDL-32E LiDAR感測器體積小、重量輕、堅固耐用，可在40度垂直視野內設計多達32個鐳射器。

HDL-32E重量小於2kg，其設計超出了最具挑戰性的現實世界自動導航、3D移動製圖以及其他鐳射雷達應用的需求。以下為其主要特點：

雙向返程；

±2釐米精度；

佈線重1。3kg（2。86磅）；

32通道；

80 - 100米距離；

每秒掃描70萬個點；

360°水平FOV；

+ 10°至-30°垂直FOV；

低功耗；

堅固的設計；

重量小於2公斤（4。4磅）。

2、Puck VLP-16雷達感測器

Velodyne的新型PUCK VLP-16鐳射雷達感測器是Velodyne 3D鐳射雷達產品系列中最小、最新、最先進的產品。與價格相同的感測器相比，它具有更高的價效比，並且已經實現量產。

它保留了Velodyne鐳射雷達的主要技術特徵：實時、360度水平FOV、3D距離和校準反射率測量。以下為其主要特點：

雙向返程；

830克；

16個通道；

100米距離；

每秒掃描30萬個點；

360度水平FOV；

±15°垂直FOV；

低功耗；

防護設計；

重量830克（1。82磅）。

3、Puck Lite鐳射雷達感測器

Velodyne的Puck LITE鐳射雷達是VLP-16 PUCK的輕量級版本，適用於要求較低重量以滿足其要求的應用。Puck LITE？具有與VLP-16相同的效能，唯一的區別在於其重量僅為590克（1。3磅），而VLP-16的重量為830克。

Puck LITE鐳射雷達感測器沒有其他變化，而且保留了其專利的360度環繞檢視，以捕獲包括距離和校準反射率測量在內的實時3D鐳射雷達資料。

三、Riegl - VUX-1UAV鐳射雷達感測器

使用高階無人機載平臺的鐳射掃描提供了在危險和/或難以到達的地區獲取資料的可能性，同時為許多應用提供了極好的成本效益比，例如精確的農業、林業和礦業等。

多年來，Riegl機載鐳射掃描器已經成功應用於強大的無人機載平臺。憑藉VUX-1UAV機載掃描器和Riegls用於無人機鐳射掃描（ULS）的遙控駕駛航空器系統RiCOPTER——Riegl開發的先進系統，徹底改變了商業和民用市場。

Riegl VUX-1UAV（前身為VUX-1）是一款非常輕便、緊湊的鐳射雷達掃描器，可以滿足UAS / UAV / RPAS新興調查解決方案的要求，無論是在系統整合還是在測量效能方面。

鑑於UAS的具體限制和飛行特性，Riegl VUX-1UAV能在任何方向進行安裝，甚至是在有限的重量和空間條件下。

該儀器只需要一個電源，因此功耗適度。採集的整體資料集要麼透過整合的LAN TCP / IP介面，作為實時線掃描資料進行提供，要麼直接儲存到內部的240GB SSD內。

VUX-1UAV鐳射雷達感測器的主要特點：

10 mm測量等級精度；

每秒高達200次掃描的掃描速度；

每秒高達50萬次的測量速率；

（@ 550 kHz PRR & 330° FOV）

高達1000英尺以上的飛行高度；

視野達330度，實現無限制資料採集；

普通模式，完美平行的掃描線；

頂尖的Riegl技術提供；

- 回波訊號數字化

- 線上波形處理

- 多次處理

多目標功能 - 幾乎無限數量的目標回聲；

緊湊型（227 x 180 x 125 mm），重量輕（3。5 kg），堅固耐用；

能輕鬆安裝在專業的UAS / UAV / RPAS上；

用於IMU安裝的機械和電氣介面；

GPS資料串和同步脈衝（1 PPS）的電氣介面；

LAN-TCP / IP介面；

儲存在內部240GB SSD記憶體的掃描資料。

VUX-1UAV鐳射雷達感測器主要應用

農林業；

考古和文化遺產文獻；

通道製圖：電力線、鐵路軌道和管道檢查；

露天開採測繪學；

施工現場監測；

城市環境調查；

資源管理。

四、Routescene – 無人機LidarPod

Routescene – 無人機LidarPod是專門為無人機使用而開發的全套系統。該公司與測量行業合作，開發Routescene UAV LidarPod也是他們的專長。

Routescene為鐳射雷達應用設計了可靠、實用和經濟高效的解決方案。無人機LidarPod是一個擁有強大設計和獨立的系統。操作簡單，可在現場快速部署。該交鑰匙解決方案包括LidarViewer，它是用於處理結果資料的專用軟體。

LidarPod感測器結合了市場上最好的技術，以捕獲測量級位置精度以及非常高的點雲密度。

每秒掃描點數

Routescene LidarPod將每秒收集70萬點，高度為40米（131英尺），飛行速度為每小時30公里（18。64英里/小時），相當於每平方米300個點。這提供了一個非常豐富的資料集，極大增強了可以獲取的細節。

LidarPod非常輕

Routescene UAV LidarPod總重量小於2。5公斤（5。5磅）。這種低重量特性將能夠實現20分鐘的持續飛行時間，而這也是進行調查所需的時間。

質量和復原力水平

Routescene無人機LidarPod包含所有收集精確的調查資料所需的功能、實時資料質量控制，並構建一個非常密集和準確的地理參考點雲。

這意味著所需要的一切都內建在系統中，包括鐳射雷達感測器、GPS / INS、無線遙控技術、資料儲存和電源管理。不需要外部元件，這就消除了整合問題和不良聯結器的可能性。

內部韌體控制了感測器，解析原始資料，並將資料樣本傳送到Routescene地面控制臺；它還能對LidarPod的功耗進行管理和監控。

LidarPod使用了上述Velodyne HDL-32e鐳射雷達感測器，能提供無與倫比的影象解析度。

LidarPod中Velodyne HDL-32e的亮點：

32個鐳射感測器/成對偵測器；

1級人眼安全；

波長為905nm；

飛行時間測距與強度；

每秒掃描70萬個3D點；

最大範圍：100米，範圍精度

視野：垂直360度，水平41度；

角度解析度（垂直）：1。33度；

衝擊：500 m / sec2幅度，11 msec持續時間；

環保：IP67。

處理鐳射雷達資料

Routescene開發了專門的LidarViewer軟體，可以輕鬆匯入、視覺化以及將過濾器應用到所收集的大量資料，此後便可以使用GIS和CAD軟體包。

LidarPod GPS \ INS

整合載波相位實時動態差分（RTK）GPS和慣性導航系統（INS）的最先進技術，在最苛刻的條件下都能提供準確的位置、速度、加速度和方位。雙天線移動載波相位實時動態差分（RTK）GNSS解決方案確保了LidarPod可以透過最低重量實現最高精度。

GPS \ INS感測器將經過溫度校準的加速度計、陀螺儀、磁力計和壓力感測器與多通道RTK GNSS接收器相結合。這些儀器耦合在一個複雜的融合演算法中，以提供準確可靠的導航和方向。

提供高達1釐米精度定位的三頻GNSS接收機，並支援當前和未來的所有衛星導航系統，包括GPS、GLONASS、GALILEO（歐洲衛星導航系統）以及中國北斗衛星導航系統。它還支援Omnistar服務，無障礙高精度定位。

無人機安裝套件（可選）

一個經過專門設計和測試的解決方案，用於將LidarPod和2個GPS天線安裝到旋轉無人機上。安裝套件包括與12 mm直徑無人機裝置導軌相容的裝置板，兩個導軌間隔160 mm。該裝置板包括一個快速釋放夾具，便於部署。

五、YellowScan - 2無人機鐳射雷達感測器

YellowScan設計和開發了超緊湊輕巧的鐳射雷達3D鐳射測繪和空中遙感解決方案，用於工業和科學應用中的無人機部署。

YellowScan無人機鐳射雷達感測器的優點

掃描植被和作物：YellowScan的技術是少數能進行近乎實時距離掃描植被的技術之一。可以根據需要頻繁掃描快速增長的植被和作物。

最佳化的維護操作：快速、輕便、易於調動，整個系統（UAV + Lidar）可以透過汽車後備箱或飛機行李箱進行攜帶；非常適合快速測量無法透過大型機載鐳射雷達進行掃描的網路中的限制區域。

安全：YellowScan無人機可以快速獲取完整的圖形，同時消除載人空降或地面物流的需要。

Yellow掃描鐳射雷達解決方案旨在實現：

小區域（小於10平方公里或100線性公里）掃描；

需要穿透植被；

達到難以接近的區域；

需要近實時/頻繁/定期的資料；

5-50釐米的精度範圍。

六、YellowScan Mapper無人機鐳射雷達感測器

YellowScan Mapper鐳射雷達感測器是為無人機和其他超輕型飛行器設計的輕量級交鑰匙測量解決方案。其小巧的體積、輕便特性使得其可以安裝在大多數無人機上。

Yellow Scan Mapper用途：

過道繪圖；

環境工程；

考古；

林業。

Yellow Scan Mapper鐳射雷達感測器的優點

透過專業人士在各種情況下進行了測試操作；

堅固可靠；

交鑰匙，操作簡單；

具有可互操作軟體的開放架構：適用於從研究到工業製圖等許多應用；

全自動，可以快速安裝在任何無人機上；

Yellow Scan Mapper規格

精度：10釐米；

絕對精度：15釐米；

鐳射掃描器頻率：40 kHz；

重量：包括電池2。1公斤；

功耗：10W；

自動飛行時間：2小時；

尺寸（mm）：L172×W206×H147。

YellowScan Mapper鐳射雷達系統包括：

高階姿態與航向參考系統（AHRS）可以精確測量姿態；

雙頻GNSS接收機，能夠在RTK或PPK定位模式下執行；

多回波鐳射掃描器；

車載計算機，用於資料的連續採集和處理；

電池（續航時間最多2小時）；

全球技術和業務支援。

YellowScan Surveyor無人機鐳射雷達感測器

YellowScan Surveyor是為土木工程和礦業專業人士所設計的最輕和最精確的鐳射雷達感測器解決方案之一。該YellowScan鐳射雷達無人機測量解決方案具有最高的精度和密度，也可以生成實時地理參考點雲資料。

YellowScan Surveyor是一個完全整合的系統，專為最苛刻的地形而設計。YellowScan Surveyor執行塊，很容易適應任何無人機。

YellowScan Surveyor並沒有取代上述YellowScan Mapper，而是透過非常適用於精確地形以及對土木工程和採礦應用要求很高的解決方案進一步完善了YellowScan Mapper。

Yellow Scan Mapper鐳射雷達感測器的優點

由測量員為測量員而設計；

堅固可靠；

交鑰匙，快速，操作簡單；

全自動，可以快速安裝在任何無人機上；

YellowScan Mapper鐳射雷達系統規格：

精度：4釐米；

絕對精度：5釐米；

鐳射掃描器頻率：300 kHz；

重量：包括電池1。6公斤；

功耗：15W；

自動飛行時間：2小時；

尺寸（mm）：100×150×140。

七、Leica Geosystems鐳射雷達感測器

Leica Geosystems以成像和鐳射雷達感測器聞名。鑑於脈衝和掃描速率最佳的效能，他們提供的鐳射雷達系統能提供高測量精度。

由於它們在無人機上安裝了多光譜和成像感測器，因此其機載鐳射雷達感測器尺寸大而且重。Leica有2個機載鐳射雷達感測器，對於小型無人機來說太重了。用於載人飛行器的大型重型鐳射雷達感測器如下：

Leica ALS80機載鐳射雷達感測器：這是用於城市制圖和公用事業通道調查的高效能機載感測器。ALS80的重量是47kg（103磅），所以它真的是一個機載鐳射雷達感測器。

Leica DragonEye Oblique鐳射雷達感測器：業界領先的1 MHz機載傾斜鐳射雷達感測器。

DragonEye鐳射雷達感測頭的重量為37公斤（81。5磅）。這也是一個飛行器鐳射雷達感測器。

八、Geodetics - 2無人機鐳射雷達感測器

Geodetics成立於1999年，由一個科學家團隊成立，目標是為民用市場提供精確的定位技術。

從那時起，Geodetics已經發展成為為民用和國防應用提供廣泛的定位、導航和計時系統的產品和整合解決方案提供商。

他們的產品和系統已部署在關鍵業務應用中，包括空中加油、空中作戰訓練、偵察監視系統、無人機、航空器和步行士兵跟蹤等。

九、Geo-MMS SAASM無人機鐳射雷達感測器

Geodetics Geo-MMS SAASM是一個完全整合的鐳射雷達製圖有效載荷，可與小型無人駕駛車輛整合。Geo-MMS系統包括慣性導航系統，利用帶有M-Code路徑的SAASM GPS感測器，並配有鐳射雷達感測器。

從整合GPS、IMU和鐳射雷達感測器獲取的原始資料記錄在內部資料記錄裝置上，可以使用Geodetics的鐳射雷達工具軟體包進行後處理，以直接對鐳射雷達點雲進行地理參照。

Geo-MMS SAASM規格

適用於包括無人機、UAS、地面車輛和機器人在內的不同平臺的靈活安裝；

最小化感測器尺寸和重量以滿足有效載荷限制（最小有效載荷5磅）；

可用於許多IMU以支援廣泛的應用需求；

釐米級位置精度（雙頻RTK配置）；

所有感測器和導航解決方案資料的車載資料記錄；

用來完全控制單獨和整合GPS、IMU以及鐳射設定的使用者介面；

支援透過RTD-Post和CYO對GPS / IMU / LiDAR進行全面後處理；

LAS檔案輸出。

Geo-MMS SAASM鐳射雷達應用

偵察監視系統（ISR）；

情境感知；

感知與規避；

資產管理；

沿海監視；

水文測繪；

關鍵油氣基建檢查；

DEM / DSM生成；

室內測繪能力（SLAM）。

十、Geo-MMS無人機鐳射雷達移動測繪系統

Geodetics Geo-MMS是與小型無人駕駛車輛完全整合的鐳射雷達製圖有效載荷。Geo-MMS包括與鐳射雷達感測器耦合的慣性導航系統。從整合GPS、IMU以及鐳射雷達感測器獲取的原始資料記錄在內部資料記錄裝置上。

然後，可以透過Geodetics的鐳射雷達工具軟體包進行後處理，以LAS格式輸出，直接對鐳射雷達點雲進行地理參照。Geo-MMS可用於各種感測器。

Geo-MMS規格