1.常见名词

  • 角分辨率
    激光雷达输出的图像也被称为“点云”图像，相邻两个点之间的夹角就是角分辨率。

  • 帧率
    一幅点云图像代表一帧，对应到激光雷达内部就是电机旋转一圈完成扫描。帧率即代表一秒钟内激光雷达电机旋转的圈数，也就是每秒钟完成一圈扫描的次数。

  • 角分辨率和帧率的关系，和采样率的关系
    由于激光雷达的采样率是一定的，因此帧率越高，角分辨率越低；帧率越低，角分辨率越高。
    采样率表示激光雷达每秒钟进行有效采集的次数，可直观理解为一秒内产生的点云数目。采样率可以通过角分辨率和帧率计算：

  • 角分辨率0.08°时，每一帧的点云数目：360°/0.08°= 4500；
  • 每秒10帧，则每秒的点云数目：4500×10=45000；
  • 所以其采样率为45kHz。

  • 激光雷达可以检测到透明玻璃吗
    激光雷达是基于光学检测原理，激光会穿过透明玻璃，从而造成一定概率的漏检。因此针对玻璃很多的场景使用时，可以增加一些辅助反射手段，比如粘贴磨砂贴纸，或配合其他非光学的传感器作为补充。

  • 激光雷达测距范围指标为什么标注有两个距离？
    激光雷达的测距依赖激光照射在目标物体上的反光，而白色的表面反射率高，黑色的表面反射率低，不同反射率会对雷达的有效量程造成差异。

  • 点云数据合并
    点云数据合并是指把相邻的点合并成一个点，一方面可以减少图像的数据量，另一方面可以增加点云的稳定度。

  • 点云上的拖尾是怎么产生的？有什么办法解决吗？
    激光雷达每次采样时发送一个激光脉冲完成测量。理想的激光脉冲打在目标上是一个点，但是实际上激光出射都存在一定的发散角，打在物体上时光斑是一个面。因此，当存在前后两个物体，且激光正好打在前面一个物体的边缘时，就有可能出现一部分激光能量打在了后面的物体上，这时的回返光就是两个光斑反射光的叠加。这时雷达会判断测量目标在这两个面之间，造成拖尾现象。拖尾现象需要借助算法去除。

2.TOF雷达和三角雷达的区别

TOF（Time of Flight）方案基于时间飞行测量，三角雷达基于几何光学运算。

  • 1.原理
  • 三角法的原理如下图1所示，激光器发射激光，在照射到物体后，反射光由线性CCD接收，由于激光器和探测器间隔了一段距离，所以依照光学路径，不同距离的物体将会成像在CCD上不同的位置。按照三角公式进行计算，就能推导出被测物体的距离。
  • TOF的原理如图2所示，激光器发射一个激光脉冲，并由计时器记录下出射的时间，回返光经接收器接收，并由计时器记录下回返的时间。两个时间相减即得到了光的“飞行时间”，而光速是一定的，因此在已知速度和时间后很容易就可以计算出距离。
  • 2.性能对比
    测量距离
    从原理上来说，TOF雷达可以测量的距离更远。实际上在一些要求测量距离的场合，比如无人驾驶汽车应用，几乎都是TOF雷达。三角雷达测不远主要有几个方面的原因：一是原理上的限制，其实仔细观察图1不难发现，三角雷达测量的物体距离越远，在CCD上的位置差别就越小，以致于在超过某个距离后，CCD几乎无法分辨。二是三角雷达没办法像TOF雷达那样获得较高的信噪比。TOF采用脉冲激光采样，并且还能严格控制视场以减少环境光的影响。这些都是长距离测量的前提条件
    采样率
    激光雷达描绘环境时，输出的是点云图像。每秒能够完成的点云测量次数，就是采样率。在转速一定的情况下，采样率决定了每一帧图像的点云数目以及点云的角分辨率。角分辨率越高，点云数量越多，则图像对周围环境的描绘就越细致。
    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最高可以达到100k的采样率）。究其原因，TOF完成一次测量只需要一个光脉冲，实时时间分析也能很快响应。但是三角雷达需要的运算过程耗时则更长。如下表示对同一物体不同采样率的成像效果

    精度
    激光雷达本质上是个测距设备，因此距离的测量精度是毫无疑问的核心指标。在这一点上，三角法在近距离下的精度很高，但是随着距离越来越远，其测量的精度会越来越差，这是因为三角法的测量和角度有关，而随着距离增加，角度差异会越来越小。所以三角雷达在标注精度时往往都是采用百分比的标注（常见的如1%），那么在20m的距离时最大误差就在20cm。而TOF雷达是依赖飞行时间，时间测量精度并不随着长度增加有明显变化，因此大多数TOF雷达在几十米的测量范围内都能保持几个厘米的精度。
    转速（帧率）
    在机械式雷达中，图像帧率就是由电机的转速决定的。就目前市面上的二维激光雷达而言，三角雷达的最高转速通常在20Hz以下，TOF雷达则可以做到30Hz-50Hz左右。三角雷达通常采用上下分体的结构，即上面转的部分负责激光发射、接收和采集，下部分负责电机驱动和供电等，过重的运动组件限制了更高的转速。而TOF雷达通常采用一体化的半固态结构，电机仅需带动反射镜，因此电机的功耗很小，并且可以支持的转速也更高。
    当然，这里提到的转速的区别只是对现有产品的一个客观分析。其实转速和雷达采用TOF还是三角法没有本质的联系，主流的多线TOF雷达也都是采用的上下分体的结构，毕竟同轴结构的光学设计受到许多限制。多线TOF雷达的转速一般也都在20Hz以下。
    不过，高转速（或者说高帧率）对点云成像效果是很有意义的。高帧率更利于捕捉高速运动的物体，比如高速公路上行驶的车辆。此外，在自身建图时，运动中的雷达建图会发生畸变（举个例子，如果一个静止的雷达扫描一圈是一个圆，那么当雷达直线运动时，扫描出的图像就变成一个椭圆）。显然，高转速可以更好的减少这种畸变的影响。
    成本
    如果只看性能比较，似乎TOF雷达的性能完全压过三角雷达。不过产品的竞争并不仅仅是性能参数的比拼，用户在乎的还有价格、稳定性和服务等等。至少在成本方面，目前三角雷达的成本是低于TOF雷达的，近距离的三角雷达成本已经在百元级别。而目前进口TOF雷达的售价动辄就要万元以上。可以说，高昂的价格是限制TOF激光雷达应用进一步拓展的重要因素。
    应用场景
    三角雷达的场景主要是在室内短距离的应用，最典型的场景就是扫地机器人。而在探测范围较大场景（比如商场、机场或者车站），以及室外场景，TOF的应用则更为广泛。另外值得一提的是，三角雷达这种裸露在外转动的方案，使其产品在防尘防水方面非常脆弱，在一些特殊场景的应用，比如AVG小车工作的车间经常会有很多灰尘，在这种环境下，三角雷达的电机非常容易损坏。相比之下，TOF雷达采用的半固态设计，可以有更优秀的防护效果，工作寿命也更长。

3.相关参考