单线激光雷达原理深度解析

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

單線激光雷達的核心組件

以思嵐科技的單線激光雷達為例，其主要由激光器、接收器、信號處理單元和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)這4個核心組件構(gòu)成。

1.激光器

激光器是激光雷達中的激光發(fā)射機構(gòu)。在工作過程中，它會以脈沖的方式點亮。思嵐科技的RPLIDAR A3系列雷達，每秒鐘會點亮和熄滅16000次。

2.接收器

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

3.信號處理單元

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

4.旋轉(zhuǎn)機構(gòu)

以上3個組件構(gòu)成了測量的核心部件。旋轉(zhuǎn)機構(gòu)負責(zé)將上述核心部件以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)起來，從而實現(xiàn)對所在平面的掃描，并產(chǎn)生實時的平面圖信息。

單線激光雷達原理之三角測距法 

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，激光在目標表面發(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）位置傳感器上。當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。

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。

1、直射式激光三角測距法

如圖1所示，當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。

2、斜射式激光三角測距法

當光路系統(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。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。

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

每次測距過程中，RPLIDAR系列激光雷達將發(fā)射經(jīng)過調(diào)制的紅外激光信號，該激光信號在照射到目標物體后產(chǎn)生的反光將被 RPLIDAR 的視覺采集系統(tǒng)接收，然后經(jīng)過嵌入在 RPLIDAR 內(nèi)部的 DSP 處理器實時解算，被照射到的目標物體與 RPLIDAR 的距離值以及當前的夾角信息將從通訊接口中輸出。

在電機機構(gòu)的驅(qū)動下，RPLIDAR 的測距核心將順時針旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)對周圍環(huán)境的 360度全方位掃描測距檢測。

單線激光雷達原理之TOF飛行時間測距法

TOF激光雷達要是基于測量光的飛行時間來獲取目標物的距離。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即可計算出目標的距離。

TOF激光雷達工作原理圖

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

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

總體來說，三角測距激光雷達與TOF激光雷達在實現(xiàn)上都有各自的難度，從原理上來說，TOF雷達的測距距離更遠，在一些要求距離的場合，基本以TOF雷達居多，而三角測距激光雷達制造成本相對較低，且精度又可滿足大多工業(yè)級民用要求，因此也備受業(yè)內(nèi)關(guān)注。