TOF激光雷达技术现状及其应用

經(jīng)歷了多年的發(fā)展，激光雷達(dá)技術(shù)已逐漸趨于成熟，隨著人工智能時(shí)代的到來(lái)，激光雷達(dá)被滲入機(jī)器人、無(wú)人駕駛、數(shù)字多媒體互動(dòng)等各大領(lǐng)域，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，激光雷達(dá)的類型也存在一定差異，按照不同的技術(shù)路線，又可將激光雷達(dá)分為三角測(cè)距及TOF激光雷達(dá)兩大類。今天我們就先來(lái)聊聊TOF激光雷達(dá)的技術(shù)現(xiàn)狀及其應(yīng)用。

TOF激光雷達(dá)采用的是TOF飛行時(shí)間測(cè)距技術(shù)，通過(guò)激光器發(fā)射出一道激光，利用二極管來(lái)進(jìn)行激光的回波檢測(cè)，再使用一個(gè)很高精度的計(jì)時(shí)器去測(cè)量光波發(fā)射到目標(biāo)物引起反饋再回來(lái)的時(shí)間差，而光速不變的情況下，再將時(shí)間差乘以光速便可得到目標(biāo)物體的距離。

當(dāng)然，如果對(duì)TOF激光測(cè)距再加以細(xì)分，又可分為相位式及脈沖式兩種。

相位式：相位式是指連續(xù)的發(fā)射激光，但接收的回波信號(hào)由于光速傳播的特性相位上會(huì)有所差距，當(dāng)檢查相位時(shí)就可以轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)處理這個(gè)距離。這種方式的優(yōu)勢(shì)在于成本相對(duì)更低，但其主要問(wèn)題是測(cè)量的速度沒法提高。

脈沖式：脈沖式較為簡(jiǎn)單直接，也是目前TOF激光雷達(dá)中采用的最主流方式，主要是發(fā)出一道激光的脈沖，然后再檢測(cè)激光的相關(guān)信息。

現(xiàn)下較熱的TOF激光雷達(dá)RPLIDAR S1便采用了脈沖式TOF測(cè)距原理，其能實(shí)現(xiàn)每秒9200次的測(cè)距動(dòng)作，在測(cè)距過(guò)程中，RPLIDAR S1將發(fā)射經(jīng)過(guò)調(diào)制的紅外激光信號(hào)，該激光信號(hào)在照射到目標(biāo)物體后產(chǎn)生的反光將被 RPLIDAR S1 的激光采集系統(tǒng)接收，然后經(jīng)過(guò)嵌入在 RPLIDAR S1 內(nèi)部的DSP處理器實(shí)時(shí)解算，被照射到的目標(biāo)物體與 RPLIDAR S1 的距離值以及當(dāng)前的角度信息將從通訊接口中輸出。

基于TOF原理的RPLIDAR S1激光雷達(dá)測(cè)距半徑可達(dá)到40米，能幫助機(jī)器人在更多更大的場(chǎng)景下開展工作。無(wú)論是地下超大停車場(chǎng)，還是超大辦公環(huán)境下，RPLIDAR S1都能輕松完成建圖。在室外模式下，RPLIDAR S1也可實(shí)現(xiàn)在60klx光下的有效工作，不受室外強(qiáng)光的干擾。

同時(shí)，RPLIDAR S1在黑色物體上的檢測(cè)上也一樣出色，相比于白色物體,激光雷達(dá)對(duì)深色物體的檢測(cè)難度更高，而RPLIDAR S1不管室內(nèi)還是室外，在一定距離范圍內(nèi)，對(duì)黑色物體的檢出表現(xiàn)同樣完美。

隨著TOF激光雷達(dá)的不斷成熟，如今其已成為眾多智能機(jī)器的核心傳感器，相比無(wú)人駕駛領(lǐng)域，TOF激光雷達(dá)在機(jī)器人領(lǐng)域更易實(shí)現(xiàn)應(yīng)用落地，可幫助機(jī)器人構(gòu)建所在環(huán)境的高精度輪廓信息，結(jié)合相應(yīng)算法，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主定位、建圖及路徑規(guī)劃。

但應(yīng)用于無(wú)人駕駛領(lǐng)域目前仍存在一定問(wèn)題，首先是抗干擾問(wèn)題，目前在無(wú)人駕駛上使用激光雷達(dá)做測(cè)試的車輛基本都是單量或者少數(shù)幾輛車，后期如果商用普及，面對(duì)路面上大量車都采用同樣的雷達(dá)掃描，就沒法識(shí)別是附近的車打來(lái)的脈沖還是自己發(fā)出的信號(hào)回波。在路邊很容易用相同雷達(dá)同波段的強(qiáng)光源去執(zhí)行惡意破壞，從而導(dǎo)致雷達(dá)失靈。另一個(gè)問(wèn)題是在強(qiáng)烈的陽(yáng)光下，雷達(dá)會(huì)和人眼一樣看不到目標(biāo)了，從而帶來(lái)安全隱患。

其次是探測(cè)距離，會(huì)對(duì)車速有一定影響。如果人類晚上開近光燈開車，車速就上不去，開了遠(yuǎn)光燈才能保證一定的速度；同理，激光雷達(dá)相當(dāng)于車的眼睛，探測(cè)距離近的時(shí)候車速上不去?，F(xiàn)在無(wú)人駕駛的激光雷達(dá)做到150米到200米就很困難，一般的車用200米都采用了比較高的放射率。

另一個(gè)是掃描問(wèn)題，目前很多企業(yè)都想把激光雷達(dá)做成固態(tài)的，期待光學(xué)相控陣技術(shù)(OPA)方案。但OPA不僅對(duì)雷達(dá)有要求、對(duì)主機(jī)也有要求，大規(guī)模做成以后掃描的出光孔徑很小，也就意味著在雷達(dá)里會(huì)帶入損耗，會(huì)進(jìn)一步縮短TOF的探測(cè)距離。

總體來(lái)說(shuō)，TOF激光雷達(dá)在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用已趨于成熟，但想在無(wú)人駕駛領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商用化普及，未來(lái)還有很長(zhǎng)的一段路要走。