原標(biāo)題：單線激光雷達原理揭秘：三角測距 VS ToF測距

單線激光雷達是一種發(fā)射并接收單束激光的測距雷達，其結(jié)構(gòu)簡單，主要由激光發(fā)射器、激光接收器構(gòu)成，具備避障、導(dǎo)航作用。單線激光雷達根據(jù)測量原理的不同，主要分為三角測距激光雷達和TOF（Time of Flight，飛行時間）測距激光雷達。以下是對這兩種測距原理的詳細揭秘：

一、三角測距激光雷達

1. 基本原理

   激光三角測距法主要是通過一束激光以一定的入射角度照射被測目標(biāo)，激光在目標(biāo)表面發(fā)生反射和散射，在另一角度利用透鏡對反射激光匯聚成像，光斑成像在CCD（Charge-coupled Device，感光耦合組件）或CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導(dǎo)體）位置傳感器上。當(dāng)被測物體沿激光方向發(fā)生移動時，位置傳感器上的光斑將產(chǎn)生移動，其位移大小對應(yīng)被測物體的移動距離。因此，可通過算法設(shè)計，由光斑位移距離計算出被測物體與基線的距離值。由于入射光和反射光構(gòu)成一個三角形，對光斑位移的計算運用了幾何三角定理，故該測量法被稱為激光三角測距法。

2. 分類

   按入射光束與被測物體表面法線的角度關(guān)系，激光三角測距法可分為斜射式和直射式兩種：

   無論是直射式還是斜射式激光三角測距法，均可實現(xiàn)對被測物體的高精度、非接觸測量，但直射式分辨率沒有斜射式高。

• 當(dāng)激光光束垂直入射被測物體表面，即入射光線與被測物體表面法線共線時，為直射式激光三角法。

• 當(dāng)光路系統(tǒng)中，激光入射光束與被測物體表面法線夾角小于90°時，該入射方式即為斜射式。

3. 技術(shù)特點

• 測量距離：三角測距激光雷達的測量距離和距離分辨率緊密相關(guān)。對于比較近的距離區(qū)間，目標(biāo)距離的變化會引起成像點位置的顯著變化；而當(dāng)目標(biāo)位于遠處時，即便距離發(fā)生很大的變化，成像點的移動也較小。因此，三角測距的距離分辨率會隨著距離的變遠而急速下降，限制了其最大實用測量距離。

• 測量速率：三角測距激光雷達采用的CCD/CMOS通常具有數(shù)千個像素點，每接收一個返回激光點，就需要將該接收點的灰度值反饋給處理器，再計算出相對距離。該流程相對耗時較長，限制了三角測距激光雷達的掃描頻率和數(shù)據(jù)處理速率。

4. 應(yīng)用場景

   三角測距激光雷達憑借較為成熟的整體技術(shù)方案和較低的批量生產(chǎn)成本，在消費級產(chǎn)品上頗受歡迎，如近些年逐漸普及的掃地機器人。然而，在應(yīng)用更廣闊、需求更復(fù)雜的工業(yè)領(lǐng)域，三角測距激光雷達受到很大限制。

二、TOF測距激光雷達

1. 基本原理

   TOF測距激光雷達基于測量光的飛行時間來獲取目標(biāo)物的距離。其工作原理主要表現(xiàn)為：通過激光發(fā)射器發(fā)出一束調(diào)制激光信號，該調(diào)制光經(jīng)被測物體反射后由激光探測器接收。通過測量發(fā)射激光和接收激光的相位差或時間差，即可計算出目標(biāo)的距離。

2. 技術(shù)特點

• 測量距離：由于TOF測距發(fā)射的是持續(xù)時間極短的激光脈沖，因此在符合人眼安全要求的前提下，可以把光脈沖的瞬時功率提到很高的水平，從而能夠探測到更遠距離的目標(biāo)。

• 測量精度：TOF測距通過測量光脈沖的飛行時間來計算目標(biāo)距離，計時的精度不會因距離變遠而發(fā)生改變。因此，在整個量程內(nèi)，TOF測距的距離分辨率都不會有實質(zhì)性的變化。

• 測量速率：TOF測距處理的都是高速脈沖信號，整個測量過程耗時極短，可以輕松地實現(xiàn)非常高的測量頻率。

3. 應(yīng)用場景

   TOF激光雷達性能更加優(yōu)越，目前主要應(yīng)用在服務(wù)機器人、AGV（Automated Guided Vehicle，自動導(dǎo)引車）/AMR（Autonomous Mobile Robot，自主移動機器人）、低速物流車、安防等方面。隨著TOF激光雷達成本不斷降低和技術(shù)的不斷完善，其在消費品領(lǐng)域的應(yīng)用潛力同樣巨大。

三、三角測距與TOF測距的比較

三角測距激光雷達

TOF測距激光雷達

綜上所述，三角測距激光雷達和TOF測距激光雷達各有其特點和適用場景。在選擇時，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求、成本預(yù)算和技術(shù)要求等因素進行綜合考慮。