前言

鐳射雷達作為眾多智慧裝置的核心感測器，其應用已經非常廣泛。如今我們能夠在無人駕駛小車、服務機器人、AGV叉車、智慧路政交通以及自動化生產線上頻頻看到鐳射雷達的身影，

也足以說明它在人工智慧產業鏈上不可或缺的地位。

一、原理

三角法的原理如下圖所示，

鐳射器發射鐳射，在照射到物體後，反射光由線性CCD接收，由於鐳射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，就能推匯出被測物體的距離。

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，鐳射器發射一個鐳射脈衝，並由計時器記錄下出射的時間，回返光經接收器接收，並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後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於：

1。 首先是計時問題。在TOF方案中，距離測量依賴於時間的測量。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，鐳射雷達要測量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後對電路系統意味著什麼。

2。 其次是脈衝訊號的處理。這裡面又分兩個部分：

a） 一個是鐳射的：三角雷達裡對鐳射器驅動幾乎沒什麼要求，因為測量依賴的鐳射回波的位置，所以只需要一個連續光出射就可以了。但是TOF卻不行，不光要脈衝鐳射，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，因此每家產品的鐳射驅動方案也是有高低之分的。

b） 另一個是接收器的。一般來說回波時刻鑑別其實是對上升沿的時間鑑別，因此在對回波訊號處理時，必須保證訊號儘量不要失真。另外，即便訊號沒有失真，由於回波訊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訊號，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。

圖3、不同反射率的回波訊號差異

除此以外，接收端還面臨著訊號飽和、底噪處理等等問題，可以說困難重重。

二、效能PK，知其然可知其所以然？

星秒TOF鐳射雷達PAVO

說了這麼多，其實從下游使用者的角度，並不關心你實現起來簡單還是難。使用者最關心的不外乎兩點：效能和價格。先說效能，如果瞭解這個行業的人大多知道，TOF雷達從效能上是優於三角雷達的。但是具體體現在哪些方面，背後的原因又是什麼呢？

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，以致於在超過某個距離後，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採用脈衝激光采樣，並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，距離長短並不代表絕對的好壞，這取決於具體的使用場景。

2

取樣率

鐳射雷達描繪環境時，輸出的是點雲圖像。

每秒能夠完成的點雲測量次數，就是取樣率。在轉速一定的情況下，取樣率決定了每一幀影象的點雲數目以及點雲的角解析度。角解析度越高，點雲數量越多，則影象對周圍環境的描繪就越細緻。

就市面上的產品而言，三角法雷達的取樣率一般都在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的取樣率）。究其原因，TOF完成一次測量只需要一個光脈衝，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。

圖4、對同一位置物體，不同取樣率的成像效果

（A）：低取樣率點雲圖樣；（B）：高取樣率點雲圖樣（PAVO）

3

精度

鐳射雷達本質上是個測距裝置，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。所以三角雷達在標註精度時往往都是採用百分比的標註（常見的如1%），那麼在20m的距離時最大誤差就在20cm。而TOF雷達是依賴飛行時間，時間測量精度並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範圍內都能保持幾個釐米的精度。

4

轉速（幀率）

在機械式雷達中，影象幀率就是由電機的轉速決定的。

就目前市面上的二維鐳射雷達而言，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。通常三角雷達通常採用採用上下分體的結構，即上面轉的部分負責鐳射發射、接收和採集，下部分負責電機驅動和供電等，過重的運動元件限制了更高的轉速。而TOF雷達通常採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，並且可以支援的轉速也更高。

當然，這裡提到的轉速的區別只是對現有產品的一個客觀分析。其實轉速和雷達採用TOF還是三角法沒有本質的聯絡，主流的多線TOF雷達也都是採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）對點雲成像效果是很有意義的。高幀率更利於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，那麼當雷達直線運動時，掃描出的影象就變成一個橢圓）。顯然，高轉速可以更好的減少這種畸變的影響。

三、成本

如果只看效能比較，似乎TOF雷達的效能完全壓過三角雷達。

不過產品的競爭並不僅僅是效能引數的比拼，使用者在乎的還有價格、穩定性和服務等等。

至少在成本方面，目前三角雷達的成本是低於TOF雷達的，近距離的三角雷達成本已經在百元級別。而目前進口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鐳射雷達應用進一步拓展的重要因素。

不過，隨著近年來國內TOF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雷達產品的價格相比於進口品牌，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。

四、應用場景

三角雷達的場景主要是在室內短距離的應用，最典型的場景就是掃地機器人。

而在探測範圍較大場景（比如商場、機場或者車站），以及室外場景，

TOF的應用則更為廣泛。

另外值得一提的是，三角雷達這種裸露在外轉動的方案，使其產品在防塵防水方面非常脆弱，在一些特殊場景的應用，比如AVG小車工作的車間經常會有很多灰塵，在這種環境下，三角雷達的電機非常容易損壞。相比之下，TOF雷達採用的半固態設計，可以有更優秀的防護效果，工作壽命也更長。

目前，國內TOF雷達正在迅速發展，星秒（SIMINICS）推出的2D TOF鐳射雷達PAVO，可以達到20m的測量距離，100kHz的點雲速率，0。036°的最高角度解析度，以及IP65的防護等級，

其應用已經涉及到無人駕駛、機器人、AGV、安防、路政等諸多領域，是國產TOF雷達的優秀代表。