單線(xiàn)激光雷達(dá)原理揭秘：三角測(cè)距 VS ToF測(cè)距

當(dāng)研發(fā)人員對(duì)機(jī)器人搭載的激光雷達(dá)進(jìn)行技術(shù)選型時(shí)，往往會(huì)發(fā)現(xiàn)同樣是機(jī)械式單線(xiàn)雷達(dá)，不同廠(chǎng)家的不同型號(hào)在外觀(guān)、性能參數(shù)和價(jià)格區(qū)間上差別巨大，容易產(chǎn)生疑惑，不確定哪種更適合自己的使用場(chǎng)景。

這主要是由于目前市場(chǎng)上機(jī)械式激光雷達(dá)使用了不同的測(cè)距原理，主要可分為三角測(cè)距和ToF測(cè)距兩類(lèi)，使得雷達(dá)整體設(shè)計(jì)在尺寸、性能和成本上有較大差異。

接下來(lái)將為大家詳細(xì)介紹兩類(lèi)測(cè)距方式的技術(shù)原理，幫助研發(fā)人員加深理解，從而選擇更適合自身場(chǎng)景的激光雷達(dá)方案。首先來(lái)看三角測(cè)距激光雷達(dá)。

這種測(cè)距方式的基本原理如圖1所示。雷達(dá)測(cè)距模塊向外發(fā)射紅外激光，入射到被測(cè)物體上之后，部分散射光經(jīng)接收透鏡匯聚到線(xiàn)陣圖像傳感器（CCD/CMOS）上成像。

由圖中的幾何關(guān)系可知，位于不同距離的物體，出射激光形成的光斑在線(xiàn)陣上成像的位置亦不相同；另一方面，測(cè)距模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)固定不變，接收透鏡的焦距f，以及發(fā)射光路光軸與接收透鏡主光軸之間的偏移（即基線(xiàn)距離）L這兩項(xiàng)參數(shù)都是已知的。根據(jù)三角形的相似關(guān)系，即可計(jì)算出物體的距離D如下：

以上原理介紹為最簡(jiǎn)化的情況。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高距離分辨率，以及充分利用線(xiàn)陣圖像傳感器的像素資源，通常將發(fā)射光路光軸與接收透鏡主光軸布置為呈一定斜角（而非圖示中的平行關(guān)系），但相似三角形的基本原理并無(wú)變化。

三角測(cè)距的原理決定了使用這種測(cè)距方式的激光雷達(dá)的一些技術(shù)特點(diǎn)。

首先來(lái)看測(cè)量距離，對(duì)于三角測(cè)距激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)，這個(gè)參數(shù)和距離分辨率是緊密聯(lián)系的。所謂距離分辨率，就是對(duì)不同距離目標(biāo)的區(qū)分能力；換句話(huà)說(shuō)，當(dāng)目標(biāo)的距離發(fā)生變化時(shí)，變化量達(dá)到多大才能使雷達(dá)輸出的距離值發(fā)生變化，相當(dāng)于用尺子量長(zhǎng)度時(shí)，使用的尺子的最小刻度是多少，三角測(cè)距的一大特點(diǎn)是這把“尺子”的刻度是不均勻的。

由圖1易知，對(duì)于比較近的距離區(qū)間，目標(biāo)距離的變化會(huì)引起成像點(diǎn)位置的顯著變化；而當(dāng)目標(biāo)位于遠(yuǎn)處時(shí)，即便距離發(fā)生很大的變化，體現(xiàn)到成像點(diǎn)上只會(huì)產(chǎn)生一點(diǎn)點(diǎn)移動(dòng)，也就是說(shuō)，三角測(cè)距的距離分辨率會(huì)隨著距離的變遠(yuǎn)而急速下降。這就限制了三角測(cè)距的最大實(shí)用測(cè)量距離，超出了這個(gè)距離后，分辨率的下降將使得測(cè)量結(jié)果失去意義。 圖1 三角測(cè)距基本原理

其次是測(cè)量速率。機(jī)械式單線(xiàn)激光雷達(dá)在旋轉(zhuǎn)掃描的同時(shí)對(duì)不同方向上的目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距，因此測(cè)量速率直接決定了雷達(dá)能否以更快的速率掃描（對(duì)應(yīng)更高的幀率），以及在完成一周掃描時(shí)能否輸出更多的測(cè)量點(diǎn)（對(duì)應(yīng)更高的角度分辨率）。

為了達(dá)到一定的距離分辨率，三角測(cè)距激光雷達(dá)往往都會(huì)使用較高分辨率的線(xiàn)陣圖像傳感器，通常具有數(shù)千個(gè)像素點(diǎn)，每次測(cè)距時(shí)需要將這些像素點(diǎn)的灰度值讀出并交給DSP處理，整個(gè)讀出和處理的過(guò)程需要耗費(fèi)一定時(shí)間，從而限制了三角測(cè)距激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)速率。

說(shuō)完三角測(cè)距之后，接著再看ToF測(cè)距。ToF是Time of Flight的縮寫(xiě)，也即飛行時(shí)間測(cè)距法，其基本原理如圖2所示：

開(kāi)始測(cè)距時(shí)，脈沖驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)射一個(gè)持續(xù)時(shí)間極短但瞬時(shí)功率非常高的光脈沖，同時(shí)計(jì)時(shí)單元啟動(dòng)計(jì)時(shí)；

光脈沖經(jīng)發(fā)射光路出射后，到達(dá)被測(cè)物體的表面并向各方向散射。測(cè)距模塊的接收光路收到部分散射光能量，通過(guò)光電器件轉(zhuǎn)化為光電流，輸送給回波信號(hào)處理電路；

回波信號(hào)處理電路將光電流轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)一級(jí)或數(shù)級(jí)放大并調(diào)理后，得到一個(gè)回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的電脈沖，用于觸發(fā)計(jì)時(shí)單元停止計(jì)時(shí)；

此時(shí)，計(jì)時(shí)單元記錄的時(shí)間間隔就代表了激光脈沖從發(fā)射到返回的全程所用的時(shí)間，使用這個(gè)時(shí)間值乘以光速并除以2，即可得到測(cè)距單元與被測(cè)目標(biāo)之間的距離值。

ToF測(cè)距的原理很容易理解，但具體工程實(shí)現(xiàn)時(shí)有不少技術(shù)難點(diǎn)需要解決，這主要是由于ToF測(cè)距的工作條件比較極端，非常大（脈沖發(fā)射峰值）、非常弱（脈沖回波）和非常快（納秒/皮秒級(jí)別）的信號(hào)，這就對(duì)整個(gè)電路的驅(qū)動(dòng)能力、帶寬和噪聲抑制水平提出了很高的要求。但它的優(yōu)勢(shì)在于，只要解決了上述這些問(wèn)題，整個(gè)測(cè)距系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)非常高的性能。

從測(cè)量距離來(lái)看，由于ToF測(cè)距發(fā)射的是持續(xù)時(shí)間極短的激光脈沖，因此在符合人眼安全要求的前提下，可以把光脈沖的瞬時(shí)功率提到很高的水平，從而能夠探測(cè)到更遠(yuǎn)距離的目標(biāo)。 圖2 ToF測(cè)距基本原理

不同于三角測(cè)距基于幾何相似關(guān)系的測(cè)量原理，ToF通過(guò)測(cè)量光脈沖的飛行時(shí)間來(lái)計(jì)算目標(biāo)距離，而計(jì)時(shí)的精度不會(huì)因距離變遠(yuǎn)而發(fā)生改變，這樣在整個(gè)量程內(nèi)，ToF測(cè)距的距離分辨率都不會(huì)有實(shí)質(zhì)性的變化。最后，ToF測(cè)距處理的都是高速脈沖信號(hào)，由此而來(lái)的好處是整個(gè)測(cè)量過(guò)程耗時(shí)極短，可以很輕松地做到非常高的測(cè)量頻率。

說(shuō)完三角測(cè)距和ToF測(cè)距的工作原理后，接下來(lái)很自然的一個(gè)問(wèn)題是，哪種類(lèi)型的單線(xiàn)激光雷達(dá)更具優(yōu)勢(shì)？答案是要根據(jù)每種雷達(dá)的特點(diǎn)，結(jié)合具體的使用場(chǎng)景來(lái)看。

三角測(cè)距激光雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在成本上，因其設(shè)計(jì)方案成熟，批量生產(chǎn)時(shí)成本可以降到很低的水平，但由于其在實(shí)際使用過(guò)程中并不穩(wěn)定，導(dǎo)致其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用受到很大限制。

此外，因?yàn)槿菧y(cè)距使用并列布置的平行軸光路，雷達(dá)的外觀(guān)可以做得比較低矮，能夠用于機(jī)體高度受限的場(chǎng)合；這些優(yōu)勢(shì)，結(jié)合三角測(cè)距近距離測(cè)量精度較高的特點(diǎn)，使得三角測(cè)距激光雷達(dá)非常適合于消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品上使用，近年來(lái)逐漸普及的掃地機(jī)器人就是一個(gè)很好的例子，只要是具備導(dǎo)航功能的型號(hào)，幾乎清一色地使用了三角測(cè)距激光雷達(dá)作為主傳感器方案。對(duì)于服務(wù)機(jī)器人類(lèi)的產(chǎn)品，當(dāng)活動(dòng)場(chǎng)景不大，或者需要在近距離補(bǔ)盲避障時(shí)，三角測(cè)距激光雷達(dá)亦有應(yīng)用案例。

ToF測(cè)距激光雷達(dá)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，相比三角測(cè)距雷達(dá)更復(fù)雜，因此成本會(huì)高一些，但由此帶來(lái)的性能提升也是顯而易見(jiàn)的，目前有不少團(tuán)隊(duì)的在研ToF方案，可在保持ToF測(cè)距工業(yè)級(jí)穩(wěn)定性和高性能的基礎(chǔ)上，將整機(jī)成本降到較低的水平，從而有潛力替代三角測(cè)距激光雷達(dá)在消費(fèi)領(lǐng)域的應(yīng)用。

市面上ToF單線(xiàn)激光雷達(dá)的主流產(chǎn)品，其最大測(cè)量距離（針對(duì)70%反射率目標(biāo)）通常10米起步，數(shù)據(jù)速率達(dá)到15 KHz或更高，掃描頻率從15 Hz到40 Hz不等，且不少型號(hào)都可以在室外使用，因此環(huán)境適應(yīng)性更好，非常適合于活動(dòng)空間大、移動(dòng)速度高、需要在較強(qiáng)環(huán)境光（例如室外）工作的移動(dòng)平臺(tái)。目前，ToF測(cè)距激光雷達(dá)在服務(wù)機(jī)器人、AGV/AMR、低速物流車(chē)都有普遍的應(yīng)用。此外，在一些靜態(tài)安裝的場(chǎng)合，例如工業(yè)安全防護(hù)、大屏互動(dòng)、安防監(jiān)控等領(lǐng)域，也常常能看到ToF測(cè)距激光雷達(dá)的使用。

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