一文讀懂三角法和TOF激光雷達

　　激光雷達作為眾多智能設(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)機器人、AGV叉車、智能路政交通以及自動化生產(chǎn)線上頻頻看到激光雷達的身影，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產(chǎn)品而言，用于環(huán)境探測和地圖構(gòu)建的雷達，按技術(shù)路線大體可以分為兩類，一類是TOF(Time of Flight，時間飛行法)雷達，另一類是三角測距法雷達。這兩個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成像在CCD上不同的位置。按照三角公式進行計算，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)射一個激光脈沖，并由計時器記錄下出射的時間，回返光經(jīng)接收器接收，并由計時器記錄下回返的時間。兩個時間相減即得到了光的“飛行時間”，而光速是一定的，因此在已知速度和時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現(xiàn)時都會有各自的挑戰(zhàn)，但是相比起來，TOF要攻克的難關(guān)顯然要多得多。

　　TOF雷達的實現(xiàn)難點主要在于：

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

　　2.其次是脈沖信號的處理。這里面又分兩個部分：

　　a)一個是激光的：三角雷達里對激光器驅(qū)動幾乎沒什么要求，因為測量依賴的激光回波的位置，所以只需要一個連續(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)動方案也是有高低之分的。

　　b)另一個是接收器的。一般來說回波時刻鑒別其實是對上升沿的時間鑒別，因此在對回波信號處理時，必須保證信號盡量不要失真。另外，即便信號沒有失真，由于回波信號不可能是一個理想的方波，因此在同一距離下對不同物體的測量也會導(dǎo)致前沿的變動。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回波信號，而時間測量系統(tǒng)必須測出這兩個前沿是同一時刻的(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，接收端還面臨著信號飽和、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，其實從下游用戶的角度，并不關(guān)心你實現(xiàn)起來簡單還是難。用戶最關(guān)心的不外乎兩點：性能和價格。先說性能，如果了解這個行業(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(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雷達可以測量的距離更遠。實際上，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。三角雷達測不遠，主要有幾個方面的原因：一是原理上的限制，其實仔細觀察圖1不難發(fā)現(xiàn)，三角雷達測量的物體距離越遠，在CCD上的位置差別就越小，以致于在超過某個距離后，CCD幾乎無法分辨。二是三角雷達沒辦法像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的好壞，這取決于具體的使用場景。

　　2.采樣率

　　激光雷達描繪環(huán)境時，輸出的是點云圖像。每秒能夠完成的點云測量次數(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云數(shù)目以及點云的角分辨率。角分辨率越高，點云數(shù)量越多，則圖像對周圍環(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光脈沖，實時時間分析也能很快響應(yīng)。但是三角雷達需要的運算過程耗時則更長。

圖4 對同一位置物體，不同采樣率的成像效果

(A)：低采樣率點云圖樣;(B)：高采樣率點云圖樣(PAVO)

　　3.精度

　　激光雷達本質(zhì)上是個測距設(shè)備，因此距離的測量精度是毫無疑問的核心指標(biāo)。在這一點上，三角法在近距離下的精度很高，但是隨著距離越來越遠，其測量的精度會越來越差，這是因為三角法的測量和角度有關(guān)，而隨著距離增加，角度差異會越來越小。所以三角雷達在標(biāo)注精度時往往都是采用百分比的標(biāo)注(常見的如1%)，那么在20m的距離時最大誤差就在20cm。而TOF雷達是依賴飛行時間，時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雷達在幾十米的測量范圍內(nèi)都能保持幾個厘米的精度。

　　2.轉(zhuǎn)速(幀率)

　　在機械式雷達中，圖像幀率就是由電機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(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)電機驅(qū)動和供電等，過重的運動組件限制了更高的轉(zhuǎn)速。而TOF雷達通常采用一體化的半固態(tài)結(jié)構(gòu)，電機僅需帶動反射鏡，因此電機的功耗很小，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)別只是對現(xiàn)有產(chǎn)品的一個客觀分析。其實轉(zhuǎn)速和雷達采用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)計受到許多限制。多線TOF雷達的轉(zhuǎn)速一般也都在20Hz以下。

　　不過，高轉(zhuǎn)速(或者說高幀率)對點云成像效果是很有意義的。高幀率更利于捕捉高速運動的物體，比如高速公路上行駛的車輛。此外，在自身建圖時，運動中的雷達建圖會發(fā)生畸變(舉個例子，如果一個靜止的雷達掃描一圈是一個圓，那么當(dāng)雷達直線運動時，掃描出的圖像就變成一個橢圓)。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雷達的性能完全壓過三角雷達。不過產(chǎn)品的競爭并不僅僅是性能參數(shù)的比拼，用戶在乎的還有價格、穩(wěn)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。而目前進口TOF雷達的售價動輒就要萬元以上?？梢哉f，高昂的價格是限制TOF激光雷達應(yīng)用進一步拓展的重要因素。

　　不過，隨著近年來國內(nèi)TOF雷達廠商的崛起，TOF雷達的成本已經(jīng)得到大幅的降低，國產(chǎn)TOF雷達產(chǎn)品的價格相比于進口品牌，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一步提升，相信TOF雷達的成本還會進一步壓縮，降到和三角雷達相近的水平也不是沒有可能。

　　四、應(yīng)用場景

　　三角雷達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器人。而在探測范圍較大場景(比如商場、機場或者車站)，以及室外場景，TOF的應(yīng)用則更為廣泛。另外值得一提的是，三角雷達這種裸露在外轉(zhuǎn)動的方案，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(shè)計，可以有更優(yōu)秀的防護效果，工作壽命也更長。