激光雷达作为许多智能设备的中心传感器，其运用现已十分广泛。现在咱们能够在无人驾驶小车、服务机器人、AGV叉车、智能路政交通以及自动化出产线上一再看到激光雷达的身影，也足以阐明它在人工智能产业链上不可或缺的方位。
就现在市面上的干流激光雷达产品而言，用于环境勘探和地图构建的雷达，按技能道路大体能够分为两类，一类是TOF(Time of Flight，时刻飞翔法)雷达，另一类是三角测距法雷达。这两个名词信任许多人并不生疏，可是要说这两种计划从原理、功能到本钱、运用上究竟孰优孰劣，以及背面的原因是什么，或许每个人都还或多或少有所疑问。今日小编就抛砖引玉，就这些问题做一次解析。
一、原理
三角法的原理如下图所示，激光器发射激光，在照射到物体后，反射光由线性CCD接纳，由于激光器和勘探器间隔了一段间隔，所以依照光学途径，不同间隔的物体将会成像在CCD上不同的方位。依照三角公式进行核算，就能推导出被测物体的间隔。
光看原理，是不是觉得挺简略。
图1 三角法测距原理
可是TOF的原理愈加简略。如图2所示，激光器发射一个激光脉冲，并由计时器记载下出射的时刻，回返光经接纳器接纳，并由计时器记载下回返的时刻。两个时刻相减即得到了光的“飞翔时刻”，而光速是必定的，因而在已知速度和时刻后很简略就能够核算出间隔。
图2 TOF测距原理
惋惜的是，要是一切作业做起来都好像想起来相同简略，那国际就太美好了。这两种计划在详细完结时都会有各自的应战，可是比较起来，TOF要霸占的难关明显要多得多。
TOF雷达的完结难点首要在于：
1.首先是计时问题。在TOF计划中，间隔丈量依靠于时刻的丈量。可是光速太快了，因而要取得准确的间隔，对计时体系的要求也就变得很高。一个数据是，激光雷达要丈量1cm的间隔，对应的时刻跨度约为65ps。略微了解电气特性的同学应该就知道这背面对电路体系意味着什么。
2.其次是脉冲信号的处理。这儿边又分两个部分：
a)一个是激光的：三角雷达里对激光器驱动简直没什么要求，由于丈量依靠的激光回波的方位，所以只需求一个接连光出射就能够了。可是TOF却不可，不光要脉冲激光，而且质量还不能太差，现在TOF雷达的出射光脉宽都在几纳秒左右，上升沿更是要求越快越好，因而每家产品的激光驱动计划也是有凹凸之分的。
b)另一个是接纳器的。一般来说回波时刻辨别其实是对上升沿的时刻辨别，因而在对回波信号处理时，有必要确保信号尽量不要失真。别的，即使信号没有失真，由于回波信号不或许是一个抱负的方波，因而在同一间隔下对不同物体的丈量也会导致前沿的变化。比方对同一方位的白纸和黑纸的丈量，或许得到如下图的两个回波信号，而时刻丈量体系有必要测出这两个前沿是同一时刻的(由于间隔是同一间隔)，这就需求特别的处理。
图3 不同反射率的回波信号差异
除此以外，接纳端还面临着信号饱满、底噪处理等等问题，能够说困难重重。
二、功能PK，知其然可知其所以然？
说了这么多，其实从下流用户的视点，并不关怀你完结起来简略仍是难。用户最关怀的不外乎两点：功能和价格。先说功能，假如了解这个职业的人大多知道，TOF雷达从功能上是优于三角雷达的。可是详细体现在哪些方面，背面的原因又是什么呢?
1.丈量间隔
从原理上来说，TOF雷达能够丈量的间隔更远。实际上，在一些要求丈量间隔的场合，比方无人驾驶轿车运用，简直都是TOF雷达。三角雷达测不远，首要有几个方面的原因：一是原理上的约束，其实仔细观察图1不难发现，三角雷达丈量的物体间隔越远，在CCD上的方位不同就越小，以致于在超越某个间隔后，CCD简直无法分辩。二是三角雷达没办法像TOF雷达那样取得较高的信噪比。TOF选用脉冲激光采样，而且还能严格控制视场以削减环境光的影响。这些都是长间隔丈量的前提条件。
当然，间隔长短并不代表肯定的好坏，这取决于详细的运用场景。
2.采样率
激光雷达描绘环境时，输出的是点云图画。每秒能够完结的点云丈量次数，便是采样率。在转速必定的情况下，采样率决议了每一帧图画的点云数目以及点云的角分辩率。角分辩率越高，点云数量越多，则图画对周围环境的描绘就越详尽。
就市面上的产品而言，三角法雷达的采样率一般都在20k以下，TOF雷达则能做到更高(例如星秒的TOF雷达PAVO最高能够到达100k的采样率)。究其原因，TOF完结一次丈量只需求一个光脉冲，实时时刻剖析也能很快呼应。可是三角雷达需求的运算进程耗时则更长。
图4 对同一方位物体，不同采样率的成像作用
(A)：低采样率点云图样;(B)：高采样率点云图样(PAVO)
3.精度
激光雷达实质上是个测距设备，因而间隔的丈量精度是毫无疑问的中心目标。在这一点上，三角法在近间隔下的精度很高，可是跟着间隔越来越远，其丈量的精度会越来越差，这是由于三角法的丈量和视点有关，而跟着间隔添加，视点差异会越来越小。所以三角雷达在标示精度时往往都是选用百分比的标示(常见的如1%)，那么在20m的间隔时最大差错就在20cm。而TOF雷达是依靠飞翔时刻，时刻丈量精度并不跟着长度添加有明显变化，因而大多数TOF雷达在几十米的丈量规模内都能坚持几个厘米的精度。
2.转速(帧率)
在机械式雷达中，图画帧率便是由电机的转速决议的。就现在市面上的二维激光雷达而言，三角雷达的最高转速一般在20Hz以下，TOF雷达则能够做到30Hz-50Hz左右。一般三角雷达一般选用选用上下分体的结构，即上面转的部分担任激光发射、接纳和收集，下部分担任电机驱动和供电等，过重的运动组件约束了更高的转速。而TOF雷达一般选用一体化的半固态结构，电机仅需带动反射镜，因而电机的功耗很小，而且能够支撑的转速也更高。
当然，这儿说到的转速的差异仅仅对现有产品的一个客观剖析。其实转速和雷达选用TOF仍是三角法没有实质的联络，干流的多线TOF雷达也都是选用的上下分体的结构，究竟同轴结构的光学规划遭到许多约束。多线TOF雷达的转速一般也都在20Hz以下。
不过，高转速(或许说高帧率)对点云成像作用是很有含义的。高帧率更利于捕捉高速运动的物体，比方高速公路上行进的车辆。此外，在本身建图时，运动中的雷达建图会产生畸变(举个比方，假如一个停止的雷达扫描一圈是一个圆，那么当雷达直线运动时，扫描出的图画就变成一个椭圆)。明显，高转速能够更好的削减这种畸变的影响。
三、本钱
假如只看功能比较，好像TOF雷达的功能彻底压过三角雷达。不过产品的竞赛并不仅仅是功能参数的比拼，用户在乎的还有价格、稳定性和服务等等。
至少在本钱方面，现在三角雷达的本钱是低于TOF雷达的，近间隔的三角雷达本钱现已在百元等级。而现在进口TOF雷达的价格动辄就要万元以上。能够说，昂扬的价格是约束TOF激光雷达运用进一步拓宽的重要因素。
不过，跟着近年来国内TOF雷达厂商的兴起，TOF雷达的本钱现已得到大幅的下降，国产TOF雷达产品的价格比较于进口品牌，现已有相当大的竞赛力。未来，跟着出产工艺的完善和出货量的进一步提高，信任TOF雷达的本钱还会进一步紧缩，降到和三角雷达附近的水平也不是没有或许。
四、运用场景
三角雷达的场景首要是在室内短间隔的运用，最典型的场景便是扫地机器人。而在勘探规模较大场景(比方商场、机场或许车站)，以及室外场景，TOF的运用则更为广泛。别的值得一提的是，三角雷达这种暴露在外滚动的计划，使其产品在防尘防水方面十分软弱，在一些特别场景的运用，比方AVG小车作业的车间常常会有许多尘埃，在这种环境下，三角雷达的电机十分简略损坏。比较之下，TOF雷达选用的半固态规划，能够有更优异的防护作用，作业寿数也更长。
