一文讀懂三角法和TOF激光雷達(dá)

　　激光雷達(dá)作為眾多智能設(shè)備的核心傳感器，其應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛。如今我們能夠在無人駕駛小車、服務(wù)機(jī)器人、AGV叉車、智能路政交通以及自動(dòng)化生產(chǎn)線上頻頻看到激光雷達(dá)的身影，也足以說明它在人工智能產(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(dá)產(chǎn)品而言，用于環(huán)境探測和地圖構(gòu)建的雷達(dá)，按技術(shù)路線大體可以分為兩類，一類是TOF(Time of Flight，時(shí)間飛行法)雷達(dá)，另一類是三角測距法雷達(dá)。這兩個(gè)名詞相信很多人并不陌生，但是要說這兩種方案從原理、性能到成本、應(yīng)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(jì)算，就能推導(dǎo)出被測物體的距離。

　　光看原理，是不是覺得挺簡單。

圖1 三角法測距原理

　　然而TOF的原理更加簡單。如圖2所示，激光器發(fā)射一個(gè)激光脈沖，并由計(jì)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(jì)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(jì)算出距離。

圖2 TOF測距原理

　　可惜的是，要是所有事情做起來都如同想起來一樣簡單，那世界就太美好了。這兩種方案在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)都會(huì)有各自的挑戰(zhàn)，但是相比起來，TOF要攻克的難關(guān)顯然要多得多。

　　TOF雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)主要在于：

　　1.首先是計(jì)時(shí)問題。在TOF方案中，距離測量依賴于時(shí)間的測量。但是光速太快了，因此要獲得精確的距離，對(duì)計(jì)時(shí)系統(tǒng)的要求也就變得很高。一個(gè)數(shù)據(jù)是，激光雷達(dá)要測量1cm的距離，對(duì)應(yīng)的時(shí)間跨度約為65ps。稍微熟悉電氣特性的同學(xué)應(yīng)該就知道這背后對(duì)電路系統(tǒng)意味著什么。

　　2.其次是脈沖信號(hào)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(dá)里對(duì)激光器驅(qū)動(dòng)幾乎沒什么要求，因?yàn)闇y量依賴的激光回波的位置，所以只需要一個(gè)連續(xù)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(dá)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(qū)動(dòng)方案也是有高低之分的。

　　b)另一個(gè)是接收器的。一般來說回波時(shí)刻鑒別其實(shí)是對(duì)上升沿的時(shí)間鑒別，因此在對(duì)回波信號(hào)處理時(shí)，必須保證信號(hào)盡量不要失真。另外，即便信號(hào)沒有失真，由于回波信號(hào)不可能是一個(gè)理想的方波，因此在同一距離下對(duì)不同物體的測量也會(huì)導(dǎo)致前沿的變動(dòng)。比如對(duì)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(hào)，而時(shí)間測量系統(tǒng)必須測出這兩個(gè)前沿是同一時(shí)刻的(因?yàn)榫嚯x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(hào)差異

　　除此以外，接收端還面臨著信號(hào)飽和、底噪處理等等問題，可以說困難重重。

二、性能PK，知其然可知其所以然？

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

　　1.測量距離

　　從原理上來說，TOF雷達(dá)可以測量的距離更遠(yuǎn)。實(shí)際上，在一些要求測量距離的場合，比如無人駕駛汽車應(yīng)用，幾乎都是TOF雷達(dá)。三角雷達(dá)測不遠(yuǎn)，主要有幾個(gè)方面的原因：一是原理上的限制，其實(shí)仔細(xì)觀察圖1不難發(fā)現(xiàn)，三角雷達(dá)測量的物體距離越遠(yuǎn)，在CCD上的位置差別就越小，以致于在超過某個(gè)距離后，CCD幾乎無法分辨。二是三角雷達(dá)沒辦法像TOF雷達(dá)那樣獲得較高的信噪比。TOF采用脈沖激光采樣，并且還能嚴(yán)格控制視場以減少環(huán)境光的影響。這些都是長距離測量的前提條件。

　　當(dāng)然，距離長短并不代表絕對(duì)的好壞，這取決于具體的使用場景。

　　2.采樣率

　　激光雷達(dá)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(shù)，就是采樣率。在轉(zhuǎn)速一定的情況下，采樣率決定了每一幀圖像的點(diǎn)云數(shù)目以及點(diǎn)云的角分辨率。角分辨率越高，點(diǎn)云數(shù)量越多，則圖像對(duì)周圍環(huán)境的描繪就越細(xì)致。

　　就市面上的產(chǎn)品而言，三角法雷達(dá)的采樣率一般都在20k以下，TOF雷達(dá)則能做到更高(例如星秒的TOF雷達(dá)PAVO最高可以達(dá)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(yīng)。但是三角雷達(dá)需要的運(yùn)算過程耗時(shí)則更長。

圖4 對(duì)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(dá)本質(zhì)上是個(gè)測距設(shè)備，因此距離的測量精度是毫無疑問的核心指標(biāo)。在這一點(diǎn)上，三角法在近距離下的精度很高，但是隨著距離越來越遠(yuǎn)，其測量的精度會(huì)越來越差，這是因?yàn)槿欠ǖ臏y量和角度有關(guān)，而隨著距離增加，角度差異會(huì)越來越小。所以三角雷達(dá)在標(biāo)注精度時(shí)往往都是采用百分比的標(biāo)注(常見的如1%)，那么在20m的距離時(shí)最大誤差就在20cm。而TOF雷達(dá)是依賴飛行時(shí)間，時(shí)間測量精度并不隨著長度增加有明顯變化，因此大多數(shù)TOF雷達(dá)在幾十米的測量范圍內(nèi)都能保持幾個(gè)厘米的精度。

　　2.轉(zhuǎn)速(幀率)

　　在機(jī)械式雷達(dá)中，圖像幀率就是由電機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定的。就目前市面上的二維激光雷達(dá)而言，三角雷達(dá)的最高轉(zhuǎn)速通常在20Hz以下，TOF雷達(dá)則可以做到30Hz-50Hz左右。通常三角雷達(dá)通常采用采用上下分體的結(jié)構(gòu)，即上面轉(zhuǎn)的部分負(fù)責(zé)激光發(fā)射、接收和采集，下部分負(fù)責(zé)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和供電等，過重的運(yùn)動(dòng)組件限制了更高的轉(zhuǎn)速。而TOF雷達(dá)通常采用一體化的半固態(tài)結(jié)構(gòu)，電機(jī)僅需帶動(dòng)反射鏡，因此電機(jī)的功耗很小，并且可以支持的轉(zhuǎn)速也更高。

　　當(dāng)然，這里提到的轉(zhuǎn)速的區(qū)別只是對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品的一個(gè)客觀分析。其實(shí)轉(zhuǎn)速和雷達(dá)采用TOF還是三角法沒有本質(zhì)的聯(lián)系，主流的多線TOF雷達(dá)也都是采用的上下分體的結(jié)構(gòu)，畢竟同軸結(jié)構(gòu)的光學(xué)設(shè)計(jì)受到許多限制。多線TOF雷達(dá)的轉(zhuǎn)速一般也都在20Hz以下。

　　不過，高轉(zhuǎn)速(或者說高幀率)對(duì)點(diǎn)云成像效果是很有意義的。高幀率更利于捕捉高速運(yùn)動(dòng)的物體，比如高速公路上行駛的車輛。此外，在自身建圖時(shí)，運(yùn)動(dòng)中的雷達(dá)建圖會(huì)發(fā)生畸變(舉個(gè)例子，如果一個(gè)靜止的雷達(dá)掃描一圈是一個(gè)圓，那么當(dāng)雷達(dá)直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，掃描出的圖像就變成一個(gè)橢圓)。顯然，高轉(zhuǎn)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(dá)的性能完全壓過三角雷達(dá)。不過產(chǎn)品的競爭并不僅僅是性能參數(shù)的比拼，用戶在乎的還有價(jià)格、穩(wěn)定性和服務(wù)等等。

　　至少在成本方面，目前三角雷達(dá)的成本是低于TOF雷達(dá)的，近距離的三角雷達(dá)成本已經(jīng)在百元級(jí)別。而目前進(jìn)口TOF雷達(dá)的售價(jià)動(dòng)輒就要萬元以上。可以說，高昂的價(jià)格是限制TOF激光雷達(dá)應(yīng)用進(jìn)一步拓展的重要因素。

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

　　四、應(yīng)用場景

　　三角雷達(dá)的場景主要是在室內(nèi)短距離的應(yīng)用，最典型的場景就是掃地機(jī)器人。而在探測范圍較大場景(比如商場、機(jī)場或者車站)，以及室外場景，TOF的應(yīng)用則更為廣泛。另外值得一提的是，三角雷達(dá)這種裸露在外轉(zhuǎn)動(dòng)的方案，使其產(chǎn)品在防塵防水方面非常脆弱，在一些特殊場景的應(yīng)用，比如AVG小車工作的車間經(jīng)常會(huì)有很多灰塵，在這種環(huán)境下，三角雷達(dá)的電機(jī)非常容易損壞。相比之下，TOF雷達(dá)采用的半固態(tài)設(shè)計(jì)，可以有更優(yōu)秀的防護(hù)效果，工作壽命也更長。