技术公开课回顾:TOF激光雷达的原理及其应用

2020-05-20

Part 1: 激光雷达概述

一、激光雷达是什么

1.激光雷达的英文名是LiDAR,它是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。

上个世纪六七十年代,雷达的发明是为了探测海底地貌;到了八十年代,用来探测山林地貌的机载雷达出现了;九十年代开始,雷达在太空领域得到应用;2000年以后,雷达开始慢慢有了一些商业应用,例如机器人和无人机等。

2. 激光雷达和毫米波雷达

工作原理:都是利用回波成像来构显被探测物体的。不过激光雷达发射的电磁波是一条直线,主要以光粒子发射为主要方法,而毫米波雷达发射出去的电磁波是一个锥状的波束,这个波段的天线主要以电磁辐射为主。

探测精度:激光雷达具有探测精度高、探测范围广及稳定性强等优点,在精确度方面,毫米波雷达的探测距离受到频段损耗的直接制约(想要探测的远,就必须使用高频段雷达),也无法感知行人,并且对周边所有障碍物无法进行精准的建模。这一点就大不如激光雷达。 

抗干扰能力:由于激光雷达通过发射光束进行探测,受环境影响较大,光束受遮挡后就不能正常使用,因此无法在雨雪雾霾天,沙尘暴等恶劣天气中开启,而毫米波导引头穿透雾、烟、灰尘的能力强,因此可以在糟糕的天气中探测,在这一点上毫米波雷达更胜一筹。

价格:激光雷达比毫米波雷达在测距、识别障碍物方面更准确,但由于激光雷达获取的数据量远超毫米波雷达,所以需要更高性能的处理器来处理数据,成本高了,售价自然就更贵了。但激光雷达在准确性上可以得到更多的保证。

二、激光雷达的种类

激光雷达测距从原理上看分为飞行时间测距和非飞行时间测距两种:

1. 飞行时间测距(TOF):其中包含脉冲式激光测距(dTOF)和相位式激光测距(iTOF)。

脉冲式激光测距采用直接测距方法,它是由激光器发射出脉冲激光,该激光在打到物体后会放射回来,通过发送光和接收激光的时间差来计算出距离。

而相位式激光测距采用相位延迟的方法来进行距离测量,所以也被称为间接测距。

2. 非飞行时间测距

在非飞行时间测距中比较常见的是三角测距。三角测距的原理是激光器打出激光,当光到达物体后物体将光反射回来,并经过透镜到达sensor,最终根据到达的位置推算距离。

幻灯片4.PNG

三、激光雷达的特点

三种激光雷达各自具备不同的优劣势,脉冲:测距远,采样率高;相位式:精度高,需要调制解调,精度高需要调制频率高,调制频率高时,远程需要更多不同频率测量;三角:成本低,远距精度低。下图从不同方面分析了它们的特点。

幻灯片5.PNG

 

Part 2:脉冲TOF激光雷达

一、脉冲TOF激光雷达实现原理

脉冲TOF激光雷达的应用原理主要是发射一个脉冲激光,并在接受返回光后计算延迟时间。因此它的实现原理整体分为发射和接收两个部分。

1. 发射

脉冲信号的激光比较窄且失误率较高,因此对发射的要求很高。TOF激光雷达在发射面板中运用到了DAC,可以对激光的光功率进行调整,激光经过放大后,通过由激光驱动器驱动的机关管发射,并在激光管的闭环中实现对功率的反馈。

2. 接收

接收环节中首先通过光电转换管将光信号转化为电信号并进行处理,关电转换后转出的是电流信号,此时需要通过TIA将电流信号转换为电压信号,这些电压信号在通过放大和滤波后由ADC进行采样,就能计算出光的飞行时间。

二、脉冲TOF激光雷达结构

脉冲TOF激光雷达有以下两种两种结构;

1. 2D收发非同轴结构,指的是激光发射到光线和探测器接收的光线不同轴。

2. 2D/3D收发同轴结构,同轴结构指的是激光发射到光线和探测器接收的光线同轴。

幻灯片7.PNG

三、脉冲TOF激光雷达关键指标

1、量程:所能测量的距离远近。

2、采样率:每秒所能收集的点数据数量。

3、精度:测量准确程度。

4、角度分辨率:由采样率和扫描频率决定的,在2D识别中,角度分辨率的大小决定了所能扫描物体的范围大小。

5、盲区:当距离近到一定程度时雷达会识别不到光,这块无法识别的区域被称为盲区。

6、抗光强度:雷达受光线影响的程度,程度越小抗光强度越大。

7、扫描频率:旋转结构的转速。

四、TOF激光雷达的应用

激光雷达的应用场景非常广泛,已成为众多智能设备的核心传感器。

1、机器人(建图、避障、导航)

2、SLAM(建图)

3、手持电子设备(物体识别)

4、无人机(定高、避障)

5、自动驾驶(智能识别)

6、数字多媒体互动(感应识别)

7、周界安防(入侵物检测)

 

Part 3:总 结

激光雷达从种类上分为飞行时间测距和非飞行时间测距,它们各自具备不同的特点。本次课程的内容是飞行时间测距(TOF)的原理及其应用,脉冲TOF激光雷达的应用原理是发射一个脉冲激光,并在接受返回光后计算延迟时间。其应用场景非常广泛,例如机器人、手持电子设备、无人机等,已成为众多智能设备的核心传感器。

 

Q&A

Q1、同轴跟非同轴结构相比,哪个技术难度更高?

A: 非同轴结构的难度性更高,难度主要体现在光路上,从光的发射到接收,需要经过多重反射,对性能的要求更高。

Q2、激光雷达家用安全吗?

A: 激光的能量很集中,如果峰值期间用眼睛直接观看,会对视力有一定影响,但激光雷达的峰值时间很短,只有几纳秒,因此平均功率非常低,是可以达到家用安全的。

Q3、同轴与非同轴分别分别用在什么场景?同轴结构可以实现360度扫描吗?

A同轴结构成本较高,往往应用在工业或对服务要求较高的机器人上;非同轴结构成本较低,往往运用在对测距要求相对较低的场景中。可以,但大部分应用场景都不需要用到360度扫描。

Q4、苹果等手机用的TOF激光雷达是什么结构?

A: 既不是同轴结构,也不是非同轴结构。手机上应用的激光雷达是面阵结构的,这种面阵结构也叫固态雷达。

Q5、TOF雷达可以识别出人吗?

A: 可以,手机的人脸识别就是一个案例。



     详情可回放直播