技术公开课回顾：TOF激光雷达的原理及其应用
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。
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。
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。
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。
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