激光雷达（二）——三角测距法和TOF原理

对于市面上的主流激光雷达，主要是用于环境探测、地图构建，按技术路线可分为：三角测距激光雷达，TOF激光雷达。

三角测距激光雷达原理

三角法的原理如下图所示，激光器发射激光，在照射到物体后，反射光由线性CCD 接收，由于激光器和探测器间隔了一段距离，所以依照光学路径，不同距离的物体将会成像在CCD 上不同的位置。按照三角公式进行计算，就能推导出被测物体的距离。

CCD是Charge Coupled Device(电荷耦合器件)的缩写,它是一种半导体成像器件。
CCD广泛应用在数码摄影、天文学，尤其是光学遥测技术、光学与频谱望远镜和高速摄影技术，如Lucky
imaging。CCD在摄像机、数码相机和扫描仪中应用广泛，只不过摄像机中使用的是点阵CCD，即包括x、y两个方向用于摄取平面图像，而扫描仪中使用的是线性CCD，它只有x一个方向，y方向扫描由扫描仪的机械装置来完成

TOF激光雷达原理

激光器发射一个激光脉冲，并由计时器记录下出射的时间，回返光经接收器接收，并由计时器记录下回返的时间。两个时间相减即得到了光的“飞行时间”，而光速是一定的，因此在已知速度和时间后很容易就可以计算出距离。

可惜的是，要是所有事情做起来都如同想起来一样简单，那世界就太美好了。这两种方案在具体实现时都会有各自的挑战，但是相比起来，TOF 要攻克的难关显然要多得多。

TOF 雷达的实现难点主要在于：

1. 首先是计时问题。在TOF 方案中，距离测量依赖于时间的测量。但是光速太快了，因此要获得精确的距离，对计时系统的要求也就变得很高。一个数据是，激光雷达要测量1cm 的距离，对应的时间跨度约为65ps。稍微熟悉电气特性的同学应该就知道这背后对电路系统意味着什么。

2. 其次是脉冲信号的处理。这里面又分两个部分：
   
   a) 一个是激光的：三角雷达里对激光器驱动几乎没什么要求，因为测量依赖的激光回波的位置，所以只需要一个连续光出射就可以了。但是TOF 却不行，不光要脉冲激光，而且质量还不能太差，目前TOF 雷达的出射光脉宽都在几纳秒左右，上升沿更是要求越快越好，因此每家产品的激光驱动方案也是有高低之分的。

b) 另一个是接收器的。一般来说回波时刻鉴别其实是对上升沿的时间鉴别，因此在对回波信号处理时，必须保证信号尽量不要失真。另外，即便信号没有失真，由于回波信号不可能是一个理想的方波，因此在同一距离下对不同物体的测量也会导致前沿的变动。比如对同一位置的白纸和黑纸的测量，可能得到如下图的两个回波信号，而时间测量系统必须测出这两个前沿是同一时刻的（因为距离是同一距离），这就需要特别的处理。

除此以外，接收端还面临着信号饱和、底噪处理等等问题，可以说困难重重。

三角测距激光雷达与TOF激光雷达性能PK

说了这么多，其实从下游用户的角度，并不关心你实现起来简单还是难。用户最关心的不外乎两点：性能和价格。先说性能，如果了解这个行业的人大多知道，TOF 雷达从性能上总体是优于三角雷达的。但是具体体现在哪些方面，背后的原因又是什么呢？

1. 测量距离

从原理上来说，TOF 雷达可以测量的距离更远。实际上，在一些要求测量距离的场合，比如无人驾驶汽车应用，几乎都是TOF 雷达。三角雷达测不远，主要有几个方面的原因：一是原理上的限制，其实仔细观察图1 不难发现，三角雷达测量的物体距离越远，在CCD 上的位置差别就越小，以致于在超过某个距离后，CCD 几乎无法分辨。二是三角雷达没办法像TOF 雷达那样获得较高的信噪比。TOF 激光雷达采用脉冲激光采样，并且还能严格控制视场以减少环境光的影响。这些都是长距离测量的前提条件。

当然，距离长短并不代表绝对的好坏，这取决于具体的使用场景。

2. 采样率

激光雷达描绘环境时，输出的是点云图像。每秒能够完成的点云测量次数，

就是采样率。在转速一定的情况下，采样率决定了每一帧图像的点云数目以及点云的角分辨率。角分辨率越高，点云数量越多，则图像对周围环境的描绘就越细致。

就市面上的产品而言，三角法雷达的采样率一般都在20k 以下，TOF 雷达则能做到更高。究其原因，TOF 完成一次测量只需要一个光脉冲，实时时间分析也能很快响应。但是三角雷达需要的运算过程耗时则更长。

3. 精度

激光雷达本质上是个测距设备，因此距离的测量精度是毫无疑问的核心指标。在这一点上，三角法在近距离下的精度很高，但是随着距离越来越远，其测量的精度会越来越差，这是因为三角法的测量和角度有关，而随着距离增加，角度差异会越来越小。所以三角雷达在标注精度时往往都是采用百分比的标注（常见的如1%），那么在20m 的距离时最大误差就在20cm。而TOF 雷达是依赖飞行时间，时间测量精度并不随着长度增加有明显变化，因此大多数TOF 雷达在几十米的测量范围内都能保持几个厘米的精度。

4. 转速（帧率）

在机械式雷达中，图像帧率就是由电机的转速决定的。就目前市面上的二维激光雷达而言，三角雷达的最高转速通常在20Hz 以下，TOF 雷达则可以做到30Hz-50Hz 左右。通常三角雷达通常采用上下分体的结构，即上面转的部分负责激光发射、接收和采集，下部分负责电机驱动和供电等，过重的运动组件限制了更高的转速。而TOF 雷达通常采用一体化的半固态结构，电机仅需带动反射镜，因此电机的功耗很小，并且可以支持的转速也更高。

当然，这里提到的转速的区别只是对现有产品的一个客观分析。其实转速和雷达采用TOF 还是三角法没有本质的联系，主流的多线TOF 雷达也都是采用的上下分体的结构，毕竟同轴结构的光学设计受到许多限制。多线TOF 雷达的转速一般也都在20Hz 以下。

不过，高转速（或者说高帧率）对点云成像效果是很有意义的。高帧率更利于捕捉高速运动的物体，比如高速公路上行驶的车辆。此外，在自身建图时，运动中的雷达建图会发生畸变（举个例子，如果一个静止的雷达扫描一圈是一个圆，那么当雷达直线运动时，扫描出的图像就变成一个椭圆）。显然，高转速可以更好的减少这种畸变的影响。