单线激光雷达原理深度解析

單線激光雷達(dá)是指激光源發(fā)出的線束是單線的雷達(dá)，具有三角測(cè)距及TOF激光雷達(dá)之分，主要以機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用居多。其掃描速度快、分辨率強(qiáng)、可靠性高，與多線激光雷達(dá)相比，單線激光雷達(dá)在角頻率及靈敏度上反應(yīng)更快捷，所以在障礙物的測(cè)距距離和精度上也更加精準(zhǔn)。

單線激光雷達(dá)的核心組件

以思嵐科技的單線激光雷達(dá)為例，其主要由激光器、接收器、信號(hào)處理單元和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)這4個(gè)核心組件構(gòu)成。

1.激光器

激光器是激光雷達(dá)中的激光發(fā)射機(jī)構(gòu)。在工作過(guò)程中，它會(huì)以脈沖的方式點(diǎn)亮。思嵐科技的RPLIDAR A3系列雷達(dá)，每秒鐘會(huì)點(diǎn)亮和熄滅16000次。

2.接收器

激光器發(fā)射的激光照射到障礙物以后，通過(guò)障礙物的反射，反射光線會(huì)經(jīng)由鏡頭組匯聚到接收器上。

3.信號(hào)處理單元

信號(hào)處理單元負(fù)責(zé)控制激光器的發(fā)射，以及接收器收到的信號(hào)的處理。根據(jù)這些信息計(jì)算出目標(biāo)物體的距離信息。

4.旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

以上3個(gè)組件構(gòu)成了測(cè)量的核心部件。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)將上述核心部件以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)所在平面的掃描，并產(chǎn)生實(shí)時(shí)的平面圖信息。

單線激光雷達(dá)原理之三角測(cè)距法 

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）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)量法被稱為激光三角測(cè)距法。

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

1、直射式激光三角測(cè)距法

如圖1所示，當(dāng)激光光束垂直入射被測(cè)物體表面，即入射光線與被測(cè)物體表面法線共線時(shí)，為直射式激光三角法。

2、斜射式激光三角測(cè)距法

當(dāng)光路系統(tǒng)中，激光入射光束與被測(cè)物體表面法線夾角小于90°時(shí)，該入射方式即為斜射式。如圖2所示的光路圖為激光三角法斜射式光路圖。

由激光器發(fā)射的激光與物體表面法線成一定角度入射到被測(cè)物體表面，反（散）射光經(jīng)B處的透鏡匯聚成像，最后被光敏單元采集。

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。

思嵐科技的RPLIDAR系列激光雷達(dá)也采用了斜射式的激光三角測(cè)距法，基于思嵐科技獨(dú)有的RPVision 3.0激光測(cè)距引擎，它可進(jìn)行每秒高達(dá) 16000 次的測(cè)距動(dòng)作，25米的測(cè)距半徑，高達(dá)0.225°的角度分辨率。

每次測(cè)距過(guò)程中，RPLIDAR系列激光雷達(dá)將發(fā)射經(jīng)過(guò)調(diào)制的紅外激光信號(hào)，該激光信號(hào)在照射到目標(biāo)物體后產(chǎn)生的反光將被 RPLIDAR 的視覺(jué)采集系統(tǒng)接收，然后經(jīng)過(guò)嵌入在 RPLIDAR 內(nèi)部的 DSP 處理器實(shí)時(shí)解算，被照射到的目標(biāo)物體與 RPLIDAR 的距離值以及當(dāng)前的夾角信息將從通訊接口中輸出。

在電機(jī)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，RPLIDAR 的測(cè)距核心將順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境的 360度全方位掃描測(cè)距檢測(cè)。

單線激光雷達(dá)原理之TOF飛行時(shí)間測(cè)距法

TOF激光雷達(dá)要是基于測(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即可計(jì)算出目標(biāo)的距離。

TOF激光雷達(dá)工作原理圖

基于TOF原理的RPLIDAR S1，是目前業(yè)內(nèi)最小的TOF雷達(dá)，機(jī)械尺寸僅為55.5mmX55.5mmX51mm。在遠(yuǎn)距離物體條件下，其測(cè)量精度依舊精準(zhǔn)、穩(wěn)定。除了測(cè)距精準(zhǔn)、穩(wěn)定外，RPLIDAR S1測(cè)量半徑可達(dá)到40m，甚至在有些條件下可實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的測(cè)量，滿足更多更大場(chǎng)景的應(yīng)用。

同時(shí)，TOF雷達(dá)因其超短時(shí)光脈沖的特性，在抗光干擾能力上也毫不遜色，即使在室外60Klx的強(qiáng)光下也能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定測(cè)距及高精度建圖。

總體來(lái)說(shuō)，三角測(cè)距激光雷達(dá)與TOF激光雷達(dá)在實(shí)現(xiàn)上都有各自的難度，從原理上來(lái)說(shuō)，TOF雷達(dá)的測(cè)距距離更遠(yuǎn)，在一些要求距離的場(chǎng)合，基本以TOF雷達(dá)居多，而三角測(cè)距激光雷達(dá)制造成本相對(duì)較低，且精度又可滿足大多工業(yè)級(jí)民用要求，因此也備受業(yè)內(nèi)關(guān)注。