原標(biāo)題：單線(xiàn)激光雷達(dá)原理揭秘：三角測(cè)距 VS ToF測(cè)距

單線(xiàn)激光雷達(dá)是一種發(fā)射并接收單束激光的測(cè)距雷達(dá)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(xiàn)激光雷達(dá)根據(jù)測(cè)量原理的不同，主要分為三角測(cè)距激光雷達(dá)和TOF（Time of Flight，飛行時(shí)間）測(cè)距激光雷達(dá)。以下是對(duì)這兩種測(cè)距原理的詳細(xì)揭秘：

一、三角測(cè)距激光雷達(dá)

1. 基本原理

   激光三角測(cè)距法主要是通過(guò)一束激光以一定的入射角度照射被測(cè)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(duì)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(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）位置傳感器上。當(dāng)被測(cè)物體沿激光方向發(fā)生移動(dòng)時(shí)，位置傳感器上的光斑將產(chǎn)生移動(dòng)，其位移大小對(duì)應(yīng)被測(cè)物體的移動(dòng)距離。因此，可通過(guò)算法設(shè)計(jì)，由光斑位移距離計(jì)算出被測(cè)物體與基線(xiàn)的距離值。由于入射光和反射光構(gòu)成一個(gè)三角形，對(duì)光斑位移的計(jì)算運(yùn)用了幾何三角定理，故該測(cè)量法被稱(chēng)為激光三角測(cè)距法。

2. 分類(lèi)

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

   無(wú)論是直射式還是斜射式激光三角測(cè)距法，均可實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體的高精度、非接觸測(cè)量，但直射式分辨率沒(méi)有斜射式高。

• 當(dāng)激光光束垂直入射被測(cè)物體表面，即入射光線(xiàn)與被測(cè)物體表面法線(xiàn)共線(xiàn)時(shí)，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(cè)物體表面法線(xiàn)夾角小于90°時(shí)，該入射方式即為斜射式。

3. 技術(shù)特點(diǎn)

• 測(cè)量距離：三角測(cè)距激光雷達(dá)的測(cè)量距離和距離分辨率緊密相關(guān)。對(duì)于比較近的距離區(qū)間，目標(biāo)距離的變化會(huì)引起成像點(diǎn)位置的顯著變化；而當(dāng)目標(biāo)位于遠(yuǎn)處時(shí)，即便距離發(fā)生很大的變化，成像點(diǎn)的移動(dòng)也較小。因此，三角測(cè)距的距離分辨率會(huì)隨著距離的變遠(yuǎn)而急速下降，限制了其最大實(shí)用測(cè)量距離。

• 測(cè)量速率：三角測(cè)距激光雷達(dá)采用的CCD/CMOS通常具有數(shù)千個(gè)像素點(diǎn)，每接收一個(gè)返回激光點(diǎn)，就需要將該接收點(diǎn)的灰度值反饋給處理器，再計(jì)算出相對(duì)距離。該流程相對(duì)耗時(shí)較長(zhǎng)，限制了三角測(cè)距激光雷達(dá)的掃描頻率和數(shù)據(jù)處理速率。

4. 應(yīng)用場(chǎng)景

   三角測(cè)距激光雷達(dá)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(fèi)級(jí)產(chǎn)品上頗受歡迎，如近些年逐漸普及的掃地機(jī)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(cè)距激光雷達(dá)受到很大限制。

二、TOF測(cè)距激光雷達(dá)

1. 基本原理

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

2. 技術(shù)特點(diǎn)

• 測(cè)量距離：由于TOF測(cè)距發(fā)射的是持續(xù)時(shí)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(shí)功率提到很高的水平，從而能夠探測(cè)到更遠(yuǎn)距離的目標(biāo)。

• 測(cè)量精度：TOF測(cè)距通過(guò)測(cè)量光脈沖的飛行時(shí)間來(lái)計(jì)算目標(biāo)距離，計(jì)時(shí)的精度不會(huì)因距離變遠(yuǎn)而發(fā)生改變。因此，在整個(gè)量程內(nèi)，TOF測(cè)距的距離分辨率都不會(huì)有實(shí)質(zhì)性的變化。

• 測(cè)量速率：TOF測(cè)距處理的都是高速脈沖信號(hào)，整個(gè)測(cè)量過(guò)程耗時(shí)極短，可以輕松地實(shí)現(xiàn)非常高的測(cè)量頻率。

3. 應(yīng)用場(chǎng)景

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

三、三角測(cè)距與TOF測(cè)距的比較

三角測(cè)距激光雷達(dá)

TOF測(cè)距激光雷達(dá)

綜上所述，三角測(cè)距激光雷達(dá)和TOF測(cè)距激光雷達(dá)各有其特點(diǎn)和適用場(chǎng)景。在選擇時(shí)，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(jìn)行綜合考慮。