激光雷达工作原理简介

测距方式

三角测距：
特点：距离短，精度高，稳定，成本低。
TOF：

• dTOF：

  全称是direct Time-of-Flight。顾名思义，dToF直接测量飞行时间。dToF会在单帧测量时间内发射和接收N次光信号，然后对记录的N次飞行时间做直方图统计，其中出现频率最高的飞行时间t用来计算待测物体的深度， 。图1是dToF单个像素点记录的光飞行时间直方图，其中，高度最高的柱对应的时间就是该像素点的最终光飞行时间。
  dToF核心组件包含VCSEL、单光子雪崩二极管SPAD和时间数字转换器TDC。Single Photon Avalanche Diode(SPAD)是一种具有单光子探测能力的光电探测雪崩二极管，只要有微弱的光信号就能产生电流。dToF模组的VCSEL向场景中发射脉冲波，SPAD接收从目标物体反射回来的脉冲波。Time Digital Converter(TDC)能够记录每次接收到的光信号的飞行时间，也就是发射脉冲和接收脉冲之间的时间间隔。
  
  dToF的原理看起来虽然很简单，但是实际能达到较高的精度很困难。除了对时钟同步有非常高的精度要求以外，还对脉冲信号的精度有很高的要求。普通的光电二极管难以满足这样的需求。而dToF中的核心组件SPAD由于制作工艺复杂，能胜任生产任务的厂家并不多，并且集成困难。所以目前研究dToF的厂家并不多，更多的是在研究和推动iToF。

• iTOF
  全称是indirect Time-of-Flight，直译就是间接光飞行时间。所谓间接，就是指iToF是通过测量相位偏移来间接测量光的飞行时间，而不是直接测量光飞行时间。
  浅析dToF和iToF
  iToF深度估计原理-带简单数学推导（持续更新）
  

大部分间接测量方案都是采用了一种测相位偏移的方法，即发射正弦波/方波与接收正弦波/方波之间相位差。

光源

激光的光源部件可分为：固体、气体、半导体。半导体优势是体积可以做到很小，而且控制灵敏，可以直接进行电流调制以获得高速的调制波输出。（这点直接体现在测距方法的iTOF上）

目前市场上三维成像激光雷达最常用的波长是905nm和1550nm；以905nm波长应用最多，主要优点是硅在该波长处吸收光子，利用这一特性的硅基光电探测器方案比较成熟。而且半导体器件从成本和整体成熟度方面来讲是大批量应用的必然选择。但因为是近红外光，接近人眼吸收光谱，考虑到人眼安全要求，激光功率受到限制，同时太阳光中存在较多近红外背景光，传感器信噪比物理上受限，最大探测距离限制在150米左右。905nm产品有velodyne、速腾聚创、镭神等。
1550nm波长的光源也是新产品用的比较多的，原因是1550 nm的激光远离人眼吸收的可见光光谱，同等功率下，1550nm比905nm激光人眼安全性提高40倍。背景光干扰问题相对较小，可以实现远距离探测；同时采用相干技术，探测器只对自身发射的激光回波响应，信噪比远高于905nm-ToF激光雷达，最大探测距离可以达到1000米以上，特殊场景下可以达到数公里。此外，1550 nm配合调频连续波(FMCW)的技术，不仅可以检测距离，同时可以利用多普勒频移来测量物体的速度，大大减小数据处理难度，通过聚类就可以分割出各个物体。大气穿透能力强，人眼安全性高是1550 nm激光光源的显著特点，1550 nm激光雷达在光源及探测器成本、体积以及供应链成熟度上还有明显的不足。

1550nm激光雷达一般采用光纤激光器作为光源， 主要厂家有法国Lumibird、昂纳此外也有一些激光雷达公司采用自已开发的光纤激光器，如美国Luminar、镭神智能等。

光束操纵方式

光束操纵方式是显而易见来区分各个雷达种类的方法，每个激光雷达厂家都在深更一块最拿手的操纵方式，说不上那种好那种坏，看应用场景。
机械式：
Velodyne创始人最早把多组组激光收发装置集中到一个可旋转柱上，通过旋转就可以获得周遭360度的距离信息，发明了多线线机械式激光雷达。这款雷达的诞生极大推动了自动驾驶发展，很多初期算法，验证车都是从这里出发。它依赖于组激光收发装置，意味着难以降低成本；而且他的旋转方式很难通过车规级验证。

固态：
**Flash:**不是发射一束激光而是向前方区域发射一片发散的激光，取消了活动构建，但功率有限，相当于一束光要被分散到很多点，探测距离短，（TOF相机，测量距离短）

OPA相控阵：电磁波和激光都具有波的特性，利用波之间的干涉，相控阵就可以让波实现扫描。光学相控阵要求单元尺寸不大于半个波长，目前激光雷达的工作波长均在1000nm左右，故阵列单元的尺寸不得大于500nm，加工难度较大。

混合固态：
转镜：激光收发器固定（收发器转动，信号线怎么连接）通过转动镜子将激光反射出去，（转镜自己旋转就好）实现扫描。多线还是要靠首增加收法模组，又想到了二维转镜，再增加俯仰转镜，这样一组激光首发器，就可以实现多平面测量。不用排列很多组收发装置。华为的等效96线就是这个原理。

多面镜激光雷达原理演示 Polygon LiDAR demo

MEMS 再推进一点，进一步将镜片缩小，通过镜片微小的振动同样可以实现多行扫描。

MEMS驱动又是一门大学问，怎么让振镜振动起来，又有很多种方法，静电驱动（ES）、电磁驱动（EM）、电热驱动（ET）以及压电驱动，具体参考这里：
MEMS及其驱动技术
MEMS激光雷达——振镜选型篇
棱镜 将两个有斜面的柱状镜头组合，可以利用光的折射控制光的扫描方向，配合控制棱镜的转速，可以控制扫描区域。理论上扫描的区域足够久，是可以扫描出前方的每一个点，棱镜激光雷达扫描，中间密集而边缘稀疏,目前只有Livox采用此方案。

MID70Pro-1效果

接收器

接收器：SPAD是当前主流

激光雷达接收器主要可以分为 PIN、APD（雪崩光电二极管）、SPAD（单光子雪崩二极管）、 SiPM（硅光电倍增管）几种，其本质都是各类型 PN 结。

关键参数

• 扫描频率

较高的扫描频率可以保证机器人以较高的速度移动

• 采样率：

每秒采集的点数，提高扫描频率不是简单提高雷达电机旋转速度，对应的需要提高采样率，不然角分辨率就会变大。

• 角分辨率
• FOV

参考文章链接
https://haokan.baidu.com/v?pd=wisenatural&vid=12616172163258984823
https://www.lmlphp.com/user/56/article/item/7196/
http://design.eccn.com/design_2021041411160591.htm