激光雷达作为许多智能设备的核心传感器，得到了广泛的应用。现在我们可以在无人驾驶汽车，服务。机器人、AGV叉车、智能道路交通、自动化生产线上频频看到激光雷达的身影，足以说明其在人工智能产业链中不可或缺的地位。
就目前市面上主流的激光雷达产品而言，用于环境探测和地图构建的雷达按照技术路线大致可以分为两类，一类是TOF(飞行时间)雷达，另一类是三角测量雷达。这两个名词相信很多人都很熟悉，但大家可能或多或少会对这两种方案在原理、性能、成本、应用上孰优孰劣，背后的原因是什么感到困惑。今天，边肖将抛砖引玉，就这些问题进行分析。
一.原则
三角学的原理如下图所示。激光器发射激光，反射光照射物体后被线阵CCD接收。因为激光器和探测器相隔一定的距离，根据光路，不同距离的物体会在CCD上的不同位置成像。根据三角公式，可以推导出被测物体的距离。只看原理，你觉得挺简单的吗？
图1三角测距原理
然而，TOF的原理更简单。如图2所示，激光器发射激光脉冲，计时器记录出射时间，接收器接收返回光，计时器记录返回时间。光的“飞行时间”可以通过两次相减得到，光速是恒定的，所以知道了速度和时间就很容易计算出距离。
图2飞行时间测距原理
可惜，如果一切都像听起来那么简单，这个世界就精彩了。这两种方案在具体实施时会有各自的挑战，但与TOF相比，显然要克服更多的困难。
TOF雷达实现的难点主要在于:
1.首先是时机问题。在TOF方案中，距离测量依赖于时间测量。但是光速太快，所以为了获得准确的距离，对计时系统的要求就变得非常高。一个数据是激光雷达要测量1cm的距离，对应的时间跨度大约是65ps。稍微熟悉电气特性的同学应该知道这对电路系统意味着什么。
2.第二，脉搏信号处理。有两个部分:
a)一种是激光:三角雷达中几乎没有激光驱动的要求，因为它测量的是从属激光回波的位置，所以只需要一束连续的光。但是TOF不行，不仅需要脉冲激光，质量也不能太差。目前t of雷达的出射光脉冲宽度在几纳秒左右，要求上升沿尽可能快，所以各产品的激光驱动方案也有高有低。
b)另一个属于接收方。一般来说，回波时间的识别其实就是上升沿时间的识别，所以在处理回波信号的时候，一定要保证信号尽可能不失真。另外，即使信号没有失真，由于回波信号不可能是理想的方波，在同一距离测量不同物体也会导致前沿的变化。比如测量同一位置的白纸和黑纸，可能会得到如下图所示的两个回波信号，时间测量系统必须测量到两个波前在同一时刻(因为距离相同)，这就需要特殊处理。
图3不同反射率的回波信号差异
此外，接收机还面临着信号饱和、噪底处理等问题，可以说是难上加难。
二、性能PK，知其然？
说了这么多，其实站在下游用户的角度，我不在乎你实现起来简单还是难。用户最关心两件事:性能和价格。先说性能。如果大多数了解这个行业的人都知道TOF雷达在性能上优于三角雷达。但具体是哪些方面，背后的原因是什么？
测量距离
原则上，TOF雷达可以测量得更远。事实上，在一些需要测距的场合，比如无人驾驶汽车应用，几乎都会用到TOF雷达。三角雷达距离不远有几个原因。第一，原则上有限制。其实不难发现，三角雷达测量的物体距离越远，在CCD上的位置差就越小，以至于超过一定距离后CCD几乎分辨不出来。第二，三角雷达无法像TOF雷达那样获得更高的信噪比。TOF采用脉冲激光采样，还可以严格控制视场，减少环境光的影响。这些都是远距离测量的先决条件。
当然，距离并不代表绝对的质量，要看具体的使用场景。
2.采样率
当激光雷达描绘环境时，它输出点云图像。每秒测量的点云数量就是采样率。在转速不变的情况下，采样率决定了每帧的点云数量和点云的角度分辨率。角度分辨率越高，点云就越多，图像描绘的周围环境就越细致。
就目前市面上的产品来说，三角雷达的采样率一般在20k以下，而t of雷达的采样率可以更高(比如TOF雷达PAVO一秒钟的采样率最高可以达到100k)。原因是TOF只需要一个光脉冲就能完成一次测量，实时时间分析也能快速响应。但是三角雷达所需的计算过程需要更长的时间。
图4同一物体不同采样率的成像效果。
(a)低采样率点云模式；(b)高采样率点云模式
3.准确(性)
激光雷达本质上是一种测距设备，所以距离的测量精度无疑是核心指标。在这一点上，三角学在短距离上的精度是很高的，但是随着距离越来越远，它的测量精度会越来越差，因为三角学的测量与角度有关，随着距离的增加，角度差会越来越小。因此，三角雷达在标注精度时通常采用百分号(如一般为1%)，所以在20 m的距离上最大误差为20cm，而TOF雷达取决于飞行时间，测时精度不会随着长度的增加而发生明显变化，所以大部分TOF雷达在几十米的测量范围内都能保持几厘米的精度。
4.旋转速度(帧速率)
在机械雷达中，图像帧速率由电机的速度决定。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，而TOF雷达可以做到30Hz-50Hz左右。通常三角雷达分为上下两部分，即上部分负责激光发射、接收和采集，下部分负责电机驱动和电源等。超重的运动部件限制了更高的转速。TOF雷达通常采用一体化半固态结构，电机只需要驱动反射镜，所以电机功耗很小，支持的速度也更高。
当然，这里所说的转速差异只是对现有产品的客观分析。其实转速和雷达采用的TOF或者三角测量方法没有本质的关系，主流的多线TOF雷达也是采用上下分体结构。毕竟同轴结构的光学设计受到很多限制。多线TOF雷达的转速一般在20Hz以下。
但是高转速(或者高帧率)对点云成像是很有意义的。高帧率更有利于捕捉高速运动的物体，比如行驶在高速公路上的车辆。另外，在测绘本身的时候，运动的雷达测绘会失真(比如静止的雷达扫描一个圆，那么当雷达直线运动的时候，扫描的图像就会变成一个椭圆)。显然，高速度可以更好地减少这种失真的影响。
第三，成本
如果只看性能对比，似乎TOF雷达的性能完全优于三角雷达。但是，产品的竞争不仅仅是性能参数的竞争，更是用户所关心的。价格、稳定性和服务等。
至少在成本上，目前三角雷达的成本低于t of雷达，近程三角雷达的成本已经在百元级别。目前进口TOF雷达价格在万元以上。可以说高。价格这是限制t of激光雷达应用进一步发展的重要因素。
但随着近年来国内t of雷达厂商的崛起，TOF雷达的成本已经大大降低。价格与进口品牌相比，具有相当的竞争力。未来随着生产工艺的提高和出货量的进一步提升，相信t of雷达的成本会进一步压缩，下降到类似三角雷达的水平也不是不可能。
四、应用场景
三角雷达的场景主要用于室内短距离，最典型的场景是扫地。机器人。而TOF更多的应用于探测范围较大的场景(如商场、机场或车站)和室外场景。另外，值得一提的是，暴露在外的三角形雷达，使得其产品在防尘防水方面非常脆弱。在一些特殊的场景中，比如AVG汽车工作的车间，经常会有大量的灰尘。在这种环境下，三角雷达的电机很容易损坏。相比之下，TOF雷达的半固态设计可以有更好的防护效果和更长的工作寿命。
图5卫星秒TOF激光雷达PAVO
目前，国产TOF雷达发展迅速。西米尼克公司推出的2D TOF激光雷达PAVO，测量距离可达20m，点云速率100kHz，最高角分辨率0.036，防护等级IP65。它的应用已经涉及到无人驾驶，机器人、AGV、安防、路政等诸多领域，是国产TOF雷达的优秀代表。