優劣幾何?三角法和TOF激光雷達大解析!

 

       激光雷達作為眾多智能設備的核心傳感器,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、智能路政交通以及自動化生產線上頻頻看到激光雷達的身影,也足以說明它在人工智能產業鏈上不可或缺的地位。

       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TOF(Time of Flight,時間飛行法)雷達,另一類是三角測距法雷達。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、應用上到底孰優孰劣,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。今天小編就拋磚引玉,就這些問題做一次解析。

 

一、原理

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。

圖1、三角法測距原理

       

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。

 

 

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:
    1. 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。
    2. 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。

  圖3、不同反射率的回波信號差異

                    

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。

二、性能PK,知其然可知其所以然?

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。

  1. 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(例如星秒的TOF雷達PAVO最高可以達到100k的采樣率)。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。

 

        圖4、對同一位置物體,不同采樣率的成像效果

(A):低采樣率點云圖樣;(B):高采樣率點云圖樣(PAVO)

  1. 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。

  1. 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、成本

如果只看性能比較,似乎TOF雷達的性能完全壓過三角雷達。不過產品的競爭并不僅僅是性能參數的比拼,用戶在乎的還有價格、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于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。

 

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。而在探測范圍較大場景(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雷達采用的半固態設計,可以有更優秀的防護效果,工作壽命也更長。

      

圖5、星秒TOF激光雷達PAVO

目前,國內TOF雷達正在迅速發展,星秒(SIMINICS)推出的2D TOF激光雷達PAVO,可以達到20m的測量距離,100kHz的點云速率,0.036°的最高角度分辨率,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。

 

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