三角脉冲信号的表达式_【技术】单线激光雷达原理对比：ToF测距VS三角测距

机械式单线雷达实际就是一个内置的激光发射装置&＃xff0c;通过机械旋转的扫描仪&＃xff0c;不停地发射和接收激光束&＃xff0c;获得周围环境的二维平面图。根据测量原理的不同&＃xff0c;分为三角测距激光雷达和TOF测距激光雷达。

三角测距激光雷达

三角测距的基本原理如图1所示&＃xff0c;雷达激光模块发射出激光&＃xff0c;经由被测物体表面反射&＃xff0c;被雷达的接收模块接收会聚到阵图像传感器(CCD/CMOS)上成像。

根据相似三角形的基本原理&＃xff0c;已知透镜焦距f&＃xff0c;CCD/CMOS主光轴与激光器光轴的相对距离L&＃xff0c;成像点与CCD/CMOS主光轴的偏离距离d&＃xff0c;可以容易得到物体的距离D&＃61;f(L&＃43;d)/d。

图1&＃xff1a;三角测距基本原理图

为了适应实际应用需求&＃xff0c;需要对上述原理进行“灵活”的变通。为了充分利用CCD上的像素资源&＃xff0c;提高分辨率&＃xff0c;通常会改变激光器光束光轴与接收透镜主光轴之间的平行关系&＃xff0c;使两条光轴之间保持一个相对角度。

利用该原理测距&＃xff0c;最大的问题便是距离的限制。随着被测物理距离激光雷达越来越远&＃xff0c;CCD上接收到反射激光的位置变化会越来越难分辨&＃xff0c;直接导致了&＃xff0c;三角测距激光雷达在远距离测量方面的劣势。其次&＃xff0c;三角测距激光雷达采用的CCD/CMOS通常具有数千个像素点&＃xff0c;没接收一个返回激光点&＃xff0c;就需要将该接收点的灰度值反馈给处理器&＃xff0c;再计算出相对距离&＃xff0c;该流程相对耗时较长&＃xff0c;也就限制了三角测距激光雷达的扫描频率和数据处理速率。

总体来说&＃xff0c;目前三角测距激光雷达凭借较为成熟的整体技术方案较低的批量生产成本&＃xff0c;在消费级产品上颇受欢迎&＃xff0c;如近些年逐渐普及的扫地机器人。而在应用更广阔&＃xff0c;需求更复杂的工业领域&＃xff0c;三角测距激光雷达受到很大限制。

TOF测距激光雷达

TOF是Time of Flight的缩写&＃xff0c;即飞行时间测距法。激光雷达内的激光模块发出经调制的脉冲激光&＃xff0c;遇物体后反射&＃xff0c;通过计算激光发射到接收之间的时间差或相位差&＃xff0c;来换算被测物的相对距离&＃xff0c;TOF测距具有精度高&＃xff0c;测距远&＃xff0c;响应快的优点。

图2&＃xff1a;ToF测距基本原理图

相对于三角测距原理&＃xff0c;TOF测距激光雷达不仅成本更高&＃xff0c;面临的技术难点也更多。首先是计时问题。在TOF 方案中&＃xff0c;距离测量的精度取决于时间计量的精度。考虑到光速太快&＃xff0c;要获得精确的飞行时间&＃xff0c;需要计时系统非常灵敏和稳定。

TOF 方案激光雷达要测量1cm 的距离&＃xff0c;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。

其次三角测距激光雷达对激光器驱动几乎没什么要求&＃xff0c;因为三角测量依赖的激光回波在CCD上的位置&＃xff0c;所以可以通过连续出光&＃xff0c;保证CCD稳定读取接收位置。但是TOF 不行&＃xff0c;TOF方案中发射的是脉冲激光&＃xff0c;脉宽为纳秒级别&＃xff0c;上升沿要求越快越好&＃xff0c;因为&＃xff0c;鉴别回波时刻依赖对接收到的激光上升沿的鉴别&＃xff0c;若上升沿过长&＃xff0c;会导致误差较大。

除此以外&＃xff0c;TOF激光雷达还面临着信号饱和、底噪处理等等问题。

整体来说&＃xff0c;TOF激光雷达性能更加优越&＃xff0c;目前主要应用在服务机器人、AGV/AMR、低速物流车、安防等方面&＃xff0c;随着TOF激光雷达成本不断降低和技术的不断完善&＃xff0c;其在消费品领域的应用潜力同样巨大。