三角测距雷达原理

了过一些tof的雷达的测距原理，现在对三角测距方法踩踩坑。

买了一个rplidar A2, 做工不错，挺漂亮的，更重要的是可以软件启动停止，噪声很小，而且反射检测灵敏度比较高（可以扫描到毛玻璃，　有些差的激光雷达检测不到毛玻璃上的反射）。

使用之后感觉很不错。马上就有其他部门的同事过来看热闹，问这问那。于是本人热心讲解了一番。不过感觉他们还是那么萌萌的表情。

在此，简单分享一下rplidar A2这种激光雷达的原理和重点技术。

rplidar A2 是一种三角测距原理激光雷达，原理和ＴＯＦ激光雷达不同。　ＴＯＦ激光雷达是根据测量光的飞行时间来计算距离的。而三角测距激光雷达是通过摄像头的光斑成像位置来解三角形的。

于是，先画个草图介绍一下原理

如上图所示，　０１是激光发射器，　射出去的激光由红色虚线表示，　Ａ，Ｂ，Ｃ是三个反射点。０２是摄像头光心轴，　绿色三角形代表用来捕捉反射光斑的相机模型。这张图画的是经典小孔模型。　Ａ，Ｂ，Ｃ的成像点分别是Ａ‘，Ｂ’，Ｃ‘.　由于激光发射器和相机安装的相对位置是已知的，　也就是说相机的光心轴和激光（线）的角度已知（本图画的是９０度），　线段０１０２长度已知，　角０１０２Ａ也已知（通过成像点在像平面的位置可以知道），　于是问题变成了一个“角边角问题”，　上过初中的同学都应该知道，　已知“角边角”，　三角形有唯一解，　于是０１A的长度是可以算出来的。　同理，　Ｂ，C 两点距离０１的距离也是可解的。

原理是不是很简单～

细心的同学会发现，如果这样安装，相机成像只有一半的，　太浪费了嘛。

于是，调整相机安装方式，这样大部分地区都可以成像了吧！

这些相机模型都还是小孔模型，有没有更好的方法利用相机的sensor来采样呢

聪明的同学又会想到如何将整个量程均匀分布在相机sensor上，　于是可以换透镜，于是有了下面这个图，　圆形区域代表透镜，（我画的是常见的圆形表示，　但实际上这个透镜应该有点凹，效果才会理想）。由于rplidar是２维的，所以成像sensor做成长条状就够了。

以上相机采样都是同步瞬间完成的。

好了，　rplidar激光雷达的三角测距原理讲完了。接下来的，会有同学说，　我知道距离了，　可是这个雷达一直在转我怎么精确知道它的角度呢。

还好当年上学比较专心，稍微想想不用拆都知道使用编码盘啦。　光电编码盘　可以直接获取旋转角度。比如给它装个８位编码盘，那么就可以有５１２个刻度（通常叫光栅编码盘，一般都有上千个编码。例如激光雷达UXM-30LX-EW　用的就是１４４０的编码盘）。每次电机旋转，触发光电编码器编码变化，就触发激光采集一次(这样省功耗)。调好时间延迟，就可以精确知道每个角度的距离。

这个激光雷达还有一个需要注意的地方，　它的数据采集是在旋转机构上做的，　那么需要把数据传回底座，必须采用无线／光通讯的方式回传（光编码也算是一种吧）。　而且要控制供电，用有刷肯定不好。需要像无刷电机那样给转子供电。所以但凡做了激光雷达的公司都会宣传掌握了关键光磁融合技术等等之类的。其实跟无刷电机大同小异啦。　

从上面的原理分析，我们可以得知，类似rplidar这种激光雷达量程是很难做到很远的。通常有效都是５，６m。此外，它也很容易被干扰，　如果使用同频率的光源让相机sensor成像上有多个光斑，或者过曝，或者多个雷达相互干扰，那么就无法得到真实数据了。所以几乎所有的三角测距激光雷达都不能在太阳光直射下工作。　而ＴＯＦ激光雷达通常是加了编码的，可以在很大的噪声背景下获取真实信号，所以可以在太阳光直射下使用，　也可以相互抗干扰。　

如果需要多机协同工作，而且每个机器安装高度相近的话，　类似rplidar A2这种激光雷达会相互干扰（干扰概率多大呢？这跟它们的FOV有关系啦，FOV越大说明量程可以做大，但也意味多个雷达工作时容易受到干扰）。如果非要避免干扰的话，必须使用通讯方式，让某一个雷达停下了，分时使用，感觉这样太笨了吧，建议干脆安装位置故意错开。来来来，看看FOV究竟又多大，见图：

最后两张图反映了两个信息：

1》镜头里面添加了滤光片，所以可见光都被反射回来了，所以像镜子一样(圆圈里的图像是我的华为手机摄像头，双摄头)。但指定波长的红外光可以穿过。

2》视角（FOV）就这么大，大家好好感受一下吧！想象一下里面有一个横着的长条sensor,再回忆一下三角测距原理，是不是感觉很简单了呢！

参考文献：

http://www.doc88.com/p-7149630429284.html

Good Luck~

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激光测距原理与方法

　　激光测距粗划分为两种，第一种原理大致是光速和往返时间的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离，以激光测距仪为例；第二种是以激光位移传感器原理为原理的方法的。

　　激光的测量方法大致有三种，脉冲法（激光回波法），相位法，三角反射法。脉冲法测量距离的精度一般是在+/- 1米左右。另外，此类测距仪的测量盲区一般是15米左右。三角法用来测量2000mm以下短程距离（行业称之为位移）时，精度最高可达1um。相位式激光测距一般应用在精密测距中，精度一般为毫米级。激光回波分析法则用于远距离测量。

1第一类测距

　　如果光以速度c在空气中传播在A、B两点间往返一次所需时间为t，则A、B两点间距离D可用下列表示。

　　D=ct/2                                                          式1.1

　　式中：

　　D——测站点A、B两点间距离；

　　c——光在大气中传播的速度；

　　t——光往返A、B一次所需的时间。

　　由上式可知，要测量A、B距离实际上是要测量光传播的时间t，根据测量时间方法的不同，激光测距仪通常可分为脉冲式和相位式两种测量形式。

2 第二类测距

　　激光位移传感器能够利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量。激光位移传感器（磁致伸缩位移传感器）就是利用激光的这些优点制成的新型测量仪表，它的出现，使位移测量的精度、可靠性得到极大的提高，也为非接触位移测量提供了有效的测量方法。

　　按照测量原理,激光位移传感器原理分为激光三角测量法和激光回波分析法,激光三角测量法一般适用于高精度、短距离的测量，而激光回波分析法则用于远距离测量。

3测量方法一：相位式激光测距

　　相位式激光测距仪是用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间。

　　若调制光角频率为ω，在待测量距离D上往返一次产生的相位延迟为φ，则对应时间t 可表示为：

　　t=φ/ω                                            式3.1

　　将此关系代入（1.1）式距离D可表示为

　　D=1/2 ct=1/2 c·φ/ω=c/(4πf) (Nπ+Δφ) = c/4f (N+ ΔN )=U(N+)   式3.2

　　式中：

　　φ——信号往返测线一次产生的总的相位延迟。

　　ω——调制信号的角频率，ω=2πf。

　　U——单位长度，数值等于1/4调制波长

　　N——测线所包含调制半波长个数。

　　Δφ——信号往返测线一次产生相位延迟不足π部分。

　　ΔN——测线所包含调制波不足半波长的小数部分。

　　ΔN=φ/ω

　　在给定调制和标准大气条件下，频率c/(4πf)是一个常数，此时距离的测量变成了测线所包含半波长个数的测量和不足半波长的小数部分的测量即测N或φ，由于近代精密机械加工技术和无线电测相技术的发展，已使φ的测量达到很高的精度。

　　为了测得不足π的相角φ，可以通过不同的方法来进行测量，通常应用最多的是延迟测相和数字测相，目前短程激光测距仪均采用数字测相原理来求得φ。

　　由上所述一般情况下相位式激光测距仪使用连续发射带调制信号的激光束，为了获得测距高精度还需配置合作目标，而目前推出的手持式激光测距仪是脉冲式激光测距仪中又一新型测距仪，它不仅体积小、重量轻，还采用数字测相脉冲展宽细分技术，无需合作目标即可达到毫米级精度，测程已经超过100m，且能快速准确地直接显示距离。是短程精度精密工程测量、房屋建筑面积测量中最新型的长度计量标准器具。现应用最多的是leica公司生产的DISTO系列手持式激光测距仪。

4 测量方法二：脉冲式激光测距

　　脉冲激光测距简单来说就是针对激光的飞行时间差进行测距，它是利用激光脉冲持续时间极短，能量在时间上相对集中，瞬时功率很大的特点进行测距。在有合作目标时，可以达到很远的测程；在近距离测量（几千米内）即使没有合作目标，在精度要求不高的情况下也可以进行测距。该方法主要用于地形测量，战术前沿测距，导弹运行轨道跟踪，激光雷达测距，以及人造卫星、地月距离测量等。

图4.1脉冲式激光测距原理图

　　脉冲式激光测距原理如图4.1所示。由激光发射系统发出一个持续时间极短的脉冲激光，经过待测距离L之后，被目标物体反射，发射脉冲激光信号被激光接收系统中的光电探测器接收，时间间隔电路通过计算激光发射和回波信号到达之间的时间t，得出目标物体与发射出的距离L。

　　其精度取决于：激光脉冲的上升沿、接收通道带宽、探测器信噪比和时间间隔精确度。

5 测量方法三：三角法激光测距

　　激光位移传感器的测量方法称为激光三角反射法，激光测距仪的精度是一定的，同样的测距仪测10米与100米的精度是一样的。而激光三角反射法测量精度是跟量程相关的，量程越大，精度越低。

　　激光测距的另一种原理是激光三角反射法原理：半导体激光器1被镜片2聚焦到被测物体6。反射光被镜片3收集，投射到CCD阵列4上；信号处理器5通过三角函数计算阵列4上的光点位置得到距物体的距离。

 

图5.1激光三角法

　　激光发射器通过镜头将可见红色激光射向物体表面，经物体反射的激光通过接受器镜头，被内部的CCD线性相机接受，根据不同的距离，CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。根据这个角度即知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物之间的距离。

　　同时，光束在接收元件的位置通过模拟和数字电路处理，并通过微处理器分析，计算出相应的输出值，并在用户设定的模拟量窗口内，按比例输出标准数据信号。如果使用开关量输出，则在设定的窗口内导通，窗口之外截止。另外，模拟量与开关量输出可设置独立检测窗口。

　　常用在铁轨、产品厚度、平整度、尺寸等方面。

6 测量方法四：激光回波法

　　激光位移传感器采用回波分析原理来测量距离可以达到一定程度的精度。传感器内部是由处理器单元、回波处理单元、激光发射器、激光接受器等部分组成。激光位移传感器通过激光发射器每秒发射一百万个脉冲到检测物并返回至接收器，处理器计算激光脉冲遇到检测物并返回接收器所需时间，以此计算出距离值，该输出值是将上千次的测量结果进行的平均输出。

图6.1 激光回波法

　　其原理与脉冲式激光测距类似，又称脉冲回波法，用于激光位移传感器。

7“安全”和“不安全”

　　目前，市场上的手持式激光测距仪的工作物质主要有以下几种：工作波长为905纳米和1540纳米的半导体激光，工作波长为1064纳米的YAG激光。1064纳米的波长对人体皮肤和眼睛是害的，特别是如果眼睛不小心接触到了1064纳米波长的激光，对眼睛的伤害可能将是永久性的。所以，在国外，手持激光测距仪中，完全取缔了1064纳米的激光。在国内，某些厂家还有生产1064纳米的激光测距仪。

　　对于905纳米和1540纳米的激光测距仪，我们就称之为“安全”的。对于1064纳米的激光测距仪，由于它对人体具有潜在的危害性，所以我们就称之为“不安全”的。

 

参考链接：

 http://www.chinabaike.com/t/9675/2013/1104/1701968.html

http://www.docin.com/p-620029816.html

http://baike.baidu.com/link?url=i4xMw2_QYjk-dArerDA5x_a_AgxQz0V8hGyJAs5uTw3VHOenPEShY2ihDAJMYxcM0O3aVbwj3Yy7egoyLiwrl_