激光雷達作為眾多智能設備的核心傳感器，其應用已經(jīng)非常廣泛。如今我們能夠在無(wú)人駕駛小車(chē)、服務(wù)機器人、AGV 叉車(chē)、智能路政交通以及自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)上頻頻看到激光雷達的身影，也足以說(shuō)明它在人工智能產(chǎn)業(yè)鏈上不可或缺的地位。

 

就目前市面上的主流激光雷達產(chǎn)品而言，用于環(huán)境探測和地圖構建的雷達，按技術(shù)路線(xiàn)大體可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是TOF（Time of Flight，時(shí)間飛行法）雷達，另一類(lèi)是三角測距法雷達。這兩個(gè)名詞相信很多人并不陌生，但是要說(shuō)這兩種方案從原理、性能到成本、應用上到底孰優(yōu)孰劣，以及背后的原因是什么，也許每個(gè)人都還或多或少有所疑惑。今天小編就拋磚引玉，就這些問(wèn)題做一次解析。

 

一、原理

 

三角法的原理如下圖所示，激光器發(fā)射激光，在照射到物體后，反射光由線(xiàn)性CCD 接收，由于激光器和探測器間隔了一段距離，所以依照光學(xué)路徑，不同距離的物體將會(huì )成像在CCD 上不同的位置。按照三角公式進(jìn)行計算，就能推導出被測物體的距離。

 

光看原理，是不是覺(jué)得挺簡(jiǎn)單。

 

圖1、三角法測距原理

 

然而TOF 的原理更加簡(jiǎn)單。如圖2 所示，激光器發(fā)射一個(gè)激光脈沖，并由計時(shí)器記錄下出射的時(shí)間，回返光經(jīng)接收器接收，并由計時(shí)器記錄下回返的時(shí)間。兩個(gè)時(shí)間相減即得到了光的“飛行時(shí)間”，而光速是一定的，因此在已知速度和時(shí)間后很容易就可以計算出距離。

 

圖2、TOF 測距原理

 

可惜的是，要是所有事情做起來(lái)都如同想起來(lái)一樣簡(jiǎn)單，那世界就太美好了。這兩種方案在具體實(shí)現時(shí)都會(huì )有各自的挑戰，但是相比起來(lái)，TOF 要攻克的難關(guān)顯然要多得多。

 

TOF 雷達的實(shí)現難點(diǎn)主要在于：

 

1. 首先是計時(shí)問(wèn)題。在TOF 方案中，距離測量依賴(lài)于時(shí)間的測量。但是光速太快了，因此要獲得精確的距離，對計時(shí)系統的要求也就變得很高。一個(gè)數據是，激光雷達要測量1cm 的距離，對應的時(shí)間跨度約為65ps。稍微熟悉電氣特性的同學(xué)應該就知道這背后對電路系統意味著(zhù)什么。

 

2. 其次是脈沖信號的處理。這里面又分兩個(gè)部分：

 

a) 一個(gè)是激光的：三角雷達里對激光器驅動(dòng)幾乎沒(méi)什么要求，因為測量依賴(lài)的激光回波的位置，所以只需要一個(gè)連續光出射就可以了。但是TOF 卻不行，不光要脈沖激光，而且質(zhì)量還不能太差，目前TOF 雷達的出射光脈寬都在幾納秒左右，上升沿更是要求越快越好，因此每家產(chǎn)品的激光驅動(dòng)方案也是有高低之分的。

 

b) 另一個(gè)是接收器的。一般來(lái)說(shuō)回波時(shí)刻鑒別其實(shí)是對上升沿的時(shí)間鑒別，因此在對回波信號處理時(shí)，必須保證信號盡量不要失真。另外，即便信號沒(méi)有失真，由于回波信號不可能是一個(gè)理想的方波，因此在同一距離下對不同物體的測量也會(huì )導致前沿的變動(dòng)。比如對同一位置的白紙和黑紙的測量，可能得到如下圖的兩個(gè)回波信號，而時(shí)間測量系統必須測出這兩個(gè)前沿是同一時(shí)刻的（因為距離是同一距離），這就需要特別的處理。

 

圖3、不同反射率的回波信號差異

 

除此以外，接收端還面臨著(zhù)信號飽和、底噪處理等等問(wèn)題，可以說(shuō)困難重重。

 

二、性能PK，知其然可知其所以然？

 

說(shuō)了這么多，其實(shí)從下游用戶(hù)的角度，并不關(guān)心你實(shí)現起來(lái)簡(jiǎn)單還是難。用戶(hù)最關(guān)心的不外乎兩點(diǎn)：性能和價(jià)格。先說(shuō)性能，如果了解這個(gè)行業(yè)的人大多知道，TOF 雷達從性能上是優(yōu)于三角雷達的。但是具體體現在哪些方面，背后的原因又是什么呢？

 

1. 測量距離

 

從原理上來(lái)說(shuō)，TOF 雷達可以測量的距離更遠。實(shí)際上，在一些要求測量距離的場(chǎng)合，比如無(wú)人駕駛汽車(chē)應用，幾乎都是TOF 雷達。三角雷達測不遠，主要有幾個(gè)方面的原因：一是原理上的限制，其實(shí)仔細觀(guān)察圖1 不難發(fā)現，三角雷達測量的物體距離越遠，在CCD 上的位置差別就越小，以致于在超過(guò)某個(gè)距離后，CCD 幾乎無(wú)法分辨。二是三角雷達沒(méi)辦法像TOF 雷達那樣獲得較高的信噪比。TOF 采用脈沖激光采樣，并且還能?chē)栏窨刂埔晥?chǎng)以減少環(huán)境光的影響。這些都是長(cháng)距離測量的前提條件。

 

當然，距離長(cháng)短并不代表絕對的好壞，這取決于具體的使用場(chǎng)景。

 

2. 采樣率

 

激光雷達描繪環(huán)境時(shí)，輸出的是點(diǎn)云圖像。每秒能夠完成的點(diǎn)云測量次數，就是采樣率。在轉速一定的情況下，采樣率決定了每一幀圖像的點(diǎn)云數目以及點(diǎn)云的角分辨率。角分辨率越高，點(diǎn)云數量越多，則圖像對周?chē)h(huán)境的描繪就越細致。

 

就市面上的產(chǎn)品而言，三角法雷達的采樣率一般都在20k 以下，TOF 雷達則能做到更高（例如星秒的TOF 雷達PAVO 最高可以達到100k 的采樣率）。究其原因，TOF 完成一次測量只需要一個(gè)光脈沖，實(shí)時(shí)時(shí)間分析也能很快響應。但是三角雷達需要的運算過(guò)程耗時(shí)則更長(cháng)。

 

圖4、對同一位置物體，不同采樣率的成像效果

 

（A）：低采樣率點(diǎn)云圖樣；（B）：高采樣率點(diǎn)云圖樣（PAVO）

 

3. 精度

 

激光雷達本質(zhì)上是個(gè)測距設備，因此距離的測量精度是毫無(wú)疑問(wèn)的核心指標。在這一點(diǎn)上，三角法在近距離下的精度很高，但是隨著(zhù)距離越來(lái)越遠，其測量的精度會(huì )越來(lái)越差，這是因為三角法的測量和角度有關(guān)，而隨著(zhù)距離增加，角度差異會(huì )越來(lái)越小。所以三角雷達在標注精度時(shí)往往都是采用百分比的標注（常見(jiàn)的如1%），那么在20m 的距離時(shí)最大誤差就在20cm。而TOF 雷達是依賴(lài)飛行時(shí)間，時(shí)間測量精度并不隨著(zhù)長(cháng)度增加有明顯變化，因此大多數TOF 雷達在幾十米的測量范圍內都能保持幾個(gè)厘米的精度。

 

4. 轉速（幀率）

 

在機械式雷達中，圖像幀率就是由電機的轉速決定的。就目前市面上的二維激光雷達而言，三角雷達的最高轉速通常在20Hz 以下，TOF 雷達則可以做到30Hz-50Hz 左右。通常三角雷達通常采用采用上下分體的結構，即上面轉的部分負責激光發(fā)射、接收和采集，下部分負責電機驅動(dòng)和供電等，過(guò)重的運動(dòng)組件限制了更高的轉速。而TOF 雷達通常采用一體化的半固態(tài)結構，電機僅需帶動(dòng)反射鏡，因此電機的功耗很小，并且可以支持的轉速也更高。

 

當然，這里提到的轉速的區別只是對現有產(chǎn)品的一個(gè)客觀(guān)分析。其實(shí)轉速和雷達采用TOF 還是三角法沒(méi)有本質(zhì)的聯(lián)系，主流的多線(xiàn)TOF 雷達也都是采用的上下分體的結構，畢竟同軸結構的光學(xué)設計受到許多限制。多線(xiàn)TOF 雷達的轉速一般也都在20Hz 以下。

 

不過(guò)，高轉速（或者說(shuō)高幀率）對點(diǎn)云成像效果是很有意義的。高幀率更利于捕捉高速運動(dòng)的物體，比如高速公路上行駛的車(chē)輛。此外，在自身建圖時(shí)，運動(dòng)中的雷達建圖會(huì )發(fā)生畸變（舉個(gè)例子，如果一個(gè)靜止的雷達掃描一圈是一個(gè)圓，那么當雷達直線(xiàn)運動(dòng)時(shí)，掃描出的圖像就變成一個(gè)橢圓）。顯然，高轉速可以更好的減少這種畸變的影響。

 

三、成本

 

如果只看性能比較，似乎TOF 雷達的性能完全壓過(guò)三角雷達。不過(guò)產(chǎn)品的競爭并不僅僅是性能參數的比拼，用戶(hù)在乎的還有價(jià)格、穩定性和服務(wù)等等。

 

至少在成本方面，目前三角雷達的成本是低于TOF 雷達的，近距離的三角雷達成本已經(jīng)在百元級別。而目前進(jìn)口TOF 雷達的售價(jià)動(dòng)輒就要萬(wàn)元以上?？梢哉f(shuō)，高昂的價(jià)格是限制TOF 激光雷達應用進(jìn)一步拓展的重要因素。

 

不過(guò)，隨著(zhù)近年來(lái)國內TOF 雷達廠(chǎng)商的崛起，TOF 雷達的成本已經(jīng)得到大幅的降低，國產(chǎn)TOF 雷達產(chǎn)品的價(jià)格相比于進(jìn)口品牌，已經(jīng)有相當大的競爭力。未來(lái)，隨著(zhù)生產(chǎn)工藝的完善和出貨量的進(jìn)一步提升，相信TOF 雷達的成本還會(huì )進(jìn)一步壓縮，降到和三角雷達相近的水平也不是沒(méi)有可能。

 

四、應用場(chǎng)景

 

三角雷達的場(chǎng)景主要是在室內短距離的應用，最典型的場(chǎng)景就是掃地機器人。而在探測范圍較大場(chǎng)景（比如商場(chǎng)、機場(chǎng)或者車(chē)站），以及室外場(chǎng)景，TOF 的應用則更為廣泛。另外值得一提的是，三角雷達這種裸露在外轉動(dòng)的方案，使其產(chǎn)品在防塵防水方面非常脆弱，在一些特殊場(chǎng)景的應用，比如AVG 小車(chē)工作的車(chē)間經(jīng)常會(huì )有很多灰塵，在這種環(huán)境下，三角雷達的電機非常容易損壞。相比之下，TOF 雷達采用的半固態(tài)設計，可以有更優(yōu)秀的防護效果，工作壽命也更長(cháng)。

 

圖5、星秒TOF 激光雷達PAVO

 

目前，國內TOF 雷達正在迅速發(fā)展，星秒（SIMINICS）推出的2D TOF 激光雷達PAVO，可以達到20m 的測量距離，100kHz 的點(diǎn)云速率，0.036°的最高角度分辨率，以及IP65 的防護等級，其應用已經(jīng)涉及到無(wú)人駕駛、機器人、AGV、安防、路政等諸多領(lǐng)域，是國產(chǎn)TOF雷達的優(yōu)秀代表。

 

 

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