【導讀】當研發(fā)人員對機器人搭載的激光雷達進行技術(shù)選型時，往往會發(fā)現(xiàn)同樣是機械式單線雷達，不同廠家的不同型號在外觀、性能參數(shù)和價格區(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景。
當研發(fā)人員對機器人搭載的激光雷達進行技術(shù)選型時，往往會發(fā)現(xiàn)同樣是機械式單線雷達，不同廠家的不同型號在外觀、性能參數(shù)和價格區(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景。
這主要是由于目前市場上機械式激光雷達使用了不同的測距原理，主要可分為三角測距和ToF測距兩類，使得雷達整體設計在尺寸、性能和成本上有較大差異。
接下來將為大家詳細介紹兩類測距方式的技術(shù)原理，幫助研發(fā)人員加深理解，從而選擇更適合自身場景的激光雷達方案。首先來看三角測距激光雷達。
這種測距方式的基本原理如圖1所示。雷達測距模塊向外發(fā)射紅外激光，入射到被測物體上之后，部分散射光經(jīng)接收透鏡匯聚到線陣圖像傳感器（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陣上成像的位置亦不相同；另一方面，測距模塊的內(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（即基線距離）L這兩項參數(shù)都是已知的。根據(jù)三角形的相似關(guān)系，即可計算出物體的距離D如下：
圖1 三角測距基本原理
以上原理介紹為最簡化的情況。在實際應用中，為了提高距離分辨率，以及充分利用線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變化。
三角測距的原理決定了使用這種測距方式的激光雷達的一些技術(shù)特點。
首先來看測量距離，對于三角測距激光雷達來說，這個參數(shù)和距離分辨率是緊密聯(lián)系的。所謂距離分辨率，就是對不同距離目標的區(qū)分能力；換句話說，當目標的距離發(fā)生變化時，變化量達到多大才能使雷達輸出的距離值發(fā)生變化，相當于用尺子量長度時，使用的尺子的最小刻度是多少，三角測距的一大特點是這把“尺子”的刻度是不均勻的。
由圖1易知，對于比較近的距離區(qū)間，目標距離的變化會引起成像點位置的顯著變化；而當目標位于遠處時，即便距離發(fā)生很大的變化，體現(xiàn)到成像點上只會產(chǎn)生一點點移動，也就是說，三角測距的距離分辨率會隨著距離的變遠而急速下降。這就限制了三角測距的最大實用測量距離，超出了這個距離后，分辨率的下降將使得測量結(jié)果失去意義。
其次是測量速率。機械式單線激光雷達在旋轉(zhuǎn)掃描的同時對不同方向上的目標進行測距，因此測量速率直接決定了雷達能否以更快的速率掃描（對應更高的幀率），以及在完成一周掃描時能否輸出更多的測量點（對應更高的角度分辨率）。
為了達到一定的距離分辨率，三角測距激光雷達往往都會使用較高分辨率的線陣圖像傳感器，通常具有數(shù)千個像素點，每次測距時需要將這些像素點的灰度值讀出并交給DSP處理，整個讀出和處理的過程需要耗費一定時間，從而限制了三角測距激光雷達的數(shù)據(jù)速率。
說完三角測距之后，接著再看ToF測距。ToF是Time of Flight的縮寫，也即飛行時間測距法，其基本原理如圖2所示：
開始測距時，脈沖驅(qū)動電路驅(qū)動激光器發(fā)射一個持續(xù)時間極短但瞬時功率非常高的光脈沖，同時計時單元啟動計時；
光脈沖經(jīng)發(fā)射光路出射后，到達被測物體的表面并向各方向散射。測距模塊的接收光路收到部分散射光能量，通過光電器件轉(zhuǎn)化為光電流，輸送給回波信號處理電路；
回波信號處理電路將光電流轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)過一級或數(shù)級放大并調(diào)理后，得到一個回波信號對應的電脈沖，用于觸發(fā)計時單元停止計時；
此時，計時單元記錄的時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間，使用這個時間值乘以光速并除以2，即可得到測距單元與被測目標之間的距離值。
圖2 ToF測距基本原理
ToF測距的原理很容易理解，但具體工程實現(xiàn)時有不少技術(shù)難點需要解決，這主要是由于ToF測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/皮秒級別）的信號，這就對整個電路的驅(qū)動能力、帶寬和噪聲抑制水平提出了很高的要求。但它的優(yōu)勢在于，只要解決了上述這些問題，整個測距系統(tǒng)可以實現(xiàn)非常高的性能。
從測量距離來看，由于ToF測距發(fā)射的是持續(xù)時間極短的激光脈沖，因此在符合人眼安全要求的前提下，可以把光脈沖的瞬時功率提到很高的水平，從而能夠探測到更遠距離的目標。
不同于三角測距基于幾何相似關(guān)系的測量原理，ToF通過測量光脈沖的飛行時間來計算目標距離，而計時的精度不會因距離變遠而發(fā)生改變，這樣在整個量程內(nèi)，ToF測距的距離分辨率都不會有實質(zhì)性的變化。最后，ToF測距處理的都是高速脈沖信號，由此而來的好處是整個測量過程耗時極短，可以很輕松地做到非常高的測量頻率。
說完三角測距和ToF測距的工作原理后，接下來很自然的一個問題是，哪種類型的單線激光雷達更具優(yōu)勢？答案是要根據(jù)每種雷達的特點，結(jié)合具體的使用場景來看。
三角測距激光雷達的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在成本上，因其設計方案成熟，批量生產(chǎn)時成本可以降到很低的水平，但由于其在實際使用過程中并不穩(wěn)定，導致其在工業(yè)領(lǐng)域的應用受到很大限制。
此外，因為三角測距使用并列布置的平行軸光路，雷達的外觀可以做得比較低矮，能夠用于機體高度受限的場合；這些優(yōu)勢，結(jié)合三角測距近距離測量精度較高的特點，使得三角測距激光雷達非常適合于消費級產(chǎn)品上使用，近年來逐漸普及的掃地機器人就是一個很好的例子，只要是具備導航功能的型號，幾乎清一色地使用了三角測距激光雷達作為主傳感器方案。對于服務機器人類的產(chǎn)品，當活動場景不大，或者需要在近距離補盲避障時，三角測距激光雷達亦有應用案例。
ToF測距激光雷達的系統(tǒng)設計，相比三角測距雷達更復雜，因此成本會高一些，但由此帶來的性能提升也是顯而易見的，目前有不少團隊的在研ToF方案，可在保持ToF測距工業(yè)級穩(wěn)定性和高性能的基礎上，將整機成本降到較低的水平，從而有潛力替代三角測距激光雷達在消費領(lǐng)域的應用。
市面上ToF單線激光雷達的主流產(chǎn)品，其最大測量距離（針對70%反射率目標）通常10米起步，數(shù)據(jù)速率達到15 KHz或更高，掃描頻率從15 Hz到40 Hz不等，且不少型號都可以在室外使用，因此環(huán)境適應性更好，非常適合于活動空間大、移動速度高、需要在較強環(huán)境光（例如室外）工作的移動平臺。目前，ToF測距激光雷達在服務機器人、AGV/AMR、低速物流車都有普遍的應用。此外，在一些靜態(tài)安裝的場合，例如工業(yè)安全防護、大屏互動、安防監(jiān)控等領(lǐng)域，也常常能看到ToF測距激光雷達的使用。
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