三角測距激光雷達與TOF激光雷達大比拼

ID:156214 · 發表于 2018-12-27 14:34

   激光雷達廣泛應用于服務機器人、無人駕駛、無人機、AGV叉車等領域，已成為眾多智能設備的核心傳感器，它的重要性也是不言而喻。就目前市面上的主流激光雷達產品而言，用于環境探測和地圖構建的雷達，按技術路線大體可以分為兩類，一類是三角測距激光雷達，另一類是TOF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、性能到成本上到底孰優孰劣，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。今天我們就來聊下現下大熱的三角測距激光雷達及TOF激光雷達。
   三角測距激光雷達與TOF激光雷達原理概述
   三角法的原理如下圖所示，激光器發射激光，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，就能推導出被測物體的距離。

光看原理，是不是覺得挺簡單。
然而TOF 的原理更加簡單。如圖2 所示，激光器發射一個激光脈沖，并由計時器記錄下出射的時間，回返光經接收器接收，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。

   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時都會有各自的挑戰，但是相比起來，TOF 要攻克的難關顯然要多得多。
   TOF 雷達的實現難點主要在于：
   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，對計時系統的要求也就變得很高。一個數據是，激光雷達要測量1cm 的距離，對應的時間跨度約為65ps。稍微熟悉電氣特性的同學應該就知道這背后對電路系統意味著什么。
   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光出射就可以了。但是TOF 卻不行，不光要脈沖激光，而且質量還不能太差，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，因此每家產品的激光驅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。
   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。

   三角測距激光雷達與TOF激光雷達性能PK
   說了這么多，其實從下游用戶的角度，并不關心你實現起來簡單還是難。用戶最關心的不外乎兩點：性能和價格。先說性能，如果了解這個行業的人大多知道，TOF 雷達從性能上總體是優于三角雷達的。但是具體體現在哪些方面，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 不難發現，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 激光雷達采用脈沖激光采樣，并且還能嚴格控制視場以減少環境光的影響。這些都是長距離測量的前提條件。
   當然，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
   激光雷達描繪環境時，輸出的是點云圖像。每秒能夠完成的點云測量次數，
   就是采樣率。在轉速一定的情況下，采樣率決定了每一幀圖像的點云數目以及點云的角分辨率。角分辨率越高，點云數量越多，則圖像對周圍環境的描繪就越細致。
   就市面上的產品而言，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。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。但是三角雷達需要的運算過程耗時則更長。
   3.精度
   激光雷達本質上是個測距設備，因此距離的測量精度是毫無疑問的核心指標。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，而隨著距離增加，角度差異會越來越小。所以三角雷達在標注精度時往往都是采用百分比的標注（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TOF 雷達在幾十米的測量范圍內都能保持幾個厘米的精度。
   4.轉速（幀率）
   在機械式雷達中，圖像幀率就是由電機的轉速決定的。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上下分體的結構，即上面轉的部分負責激光發射、接收和采集，下部分負責電機驅動和供電等，過重的運動組件限制了更高的轉速。而TOF 雷達通常采用一體化的半固態結構，電機僅需帶動反射鏡，因此電機的功耗很小，并且可以支持的轉速也更高。
   當然，這里提到的轉速的區別只是對現有產品的一個客觀分析。其實轉速和雷達采用TOF 還是三角法沒有本質的聯系，主流的多線TOF 雷達也都是采用的上下分體的結構，畢竟同軸結構的光學設計受到許多限制。多線TOF 雷達的轉速一般也都在20Hz 以下。
   不過，高轉速（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，那么當雷達直線運動時，掃描出的圖像就變成一個橢圓）。顯然，高轉速可以更好的減少這種畸變的影響。

   三角測距激光雷達與TOF激光雷達成本比較
   在成本方面，三角測距激光雷達的成本是低于TOF 雷達的，目前，思嵐科技推出的三角測距激光雷達RPLIDAR A3，在25米測距半徑內，可完成每秒上萬次的激光測距，并實現毫米級別的解析度。可滿足服務機器人的使用需求，相較于國外類似產品，其售價更低，僅達數千元。而進口TOF 雷達的售價動輒就要萬元以上。可以說，高昂的價格是限制TOF 激光雷達應用進一步拓展的重要因素。
   不過，隨著近年來國內TOF激光雷達廠商的崛起，TOF 雷達的成本已經得到大幅的降低，國產TOF 激光雷達產品的價格相比于進口品牌，已經有相當大的競爭力。未來，隨著生產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。

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