激光雷達傳感器

常見的激光雷達主要有三角測距和TOF兩大類型。

1.三角測距

測量原理

如圖所示，為三角測距激光雷達的原理圖。首先激光發射器（Laser）發射激光，打到物體（Object）表面時，將反射至CMOS相機處，經過相機焦點與圖像交于 X 1 X_1 X1?。

經過相機焦點O做激光的平行線交相機成像于 X 2 X_2 X2?處， X 1 X 2 X_1X_2 X1?X2?間距離為 x x x，相機焦距為 f f f。

易得 △ O A B ～ △ X 1 X 2 O \vartriangle OAB \sim \vartriangle {X_1}{X_2}O △OAB～△X1?X2?O，則可以得到測量值d的表達式：
L x = d f d = f L x \frac{L}{x}=\fracozvdkddzhkzd{f}\\ d=f\frac{L}{x} xL?=fd?d=fxL?
式中， f f f為CMOS相機焦距大小； L L L為激光發射器與CMOS相機間距；參量 x x x可由三角函數得到：
x = f tan ? α + f tan ? β x = f sin ? ( α + β ) sin ? α sin ? β x=\frac{f}{\tan\alpha}+\frac{f}{\tan\beta}\\ x=f\frac{\sin(\alpha+\beta)}{\sin\alpha\sin\beta} x=tanαf?+tanβf?x=fsinαsinβsin(α+β)?
其中， α \alpha α為激光發射器發射角度，角度 β \beta β可由相機內參矩陣計算得到。將x帶入測量值表達式，進行化簡：
d = L sin ? α sin ? β sin ? ( α + β ) d=L\frac{\sin\alpha\sin\beta}{\sin(\alpha+\beta)} d=Lsin(α+β)sinαsinβ?
三角測距法參量表如下：

參量	含義
α \alpha α	激光發射角，標定后固定
β \beta β	相機接收角，
L L L	激光發射器與相機間距離，標定后固定
f f f	相機焦距，固定值
d d d	激光測距值
x x x	中間變量，圖像上 X 1 X 2 X_1X_2 X1?X2?間距離

測量特點

采用三角測距原理制成的激光雷達傳感器具有以下特點：

• 成本低、價格便宜
• 中近距離精度較高
• 遠距離精度較差
• 易受干擾，一般用于室內定位

當測量物體較遠，即 d d d值較大時，所引起的 x x x變化較小，精度較差。

2.飛行時間TOF

測量原理

飛行時間（Time of flight）利用光速進行測距，若激光發射器在 t 0 t_0 t0?時刻發射一束激光，打到物體上并反射，在 t 1 t_1 t1?時刻激光接收器接收到，則測量距離可用如下表達式計算：
D = C ( t 1 ? t 0 ) 2 D=C\frac{(t_1-t_0)}{2} D=C2(t1??t0?)?
式中， C C C表示光速 3 × 1 0 9 m / s 3\times10^9m/s 3×109m/s。

由于光速過快，對計時器精度要求高，測量精度1m對應時間精度ns；測量精度cm則對應時間精度ps。

故而，在實際應用中通常采用測量型號相位代替直接測量時間，如下圖所示。

則時間可用相位差進行計算：
Δ t = Δ φ 2 π f m D = C Δ t 2 = C Δ φ 4 π f m \Delta t=\frac{\Delta\varphi}{2\pi f_m}\\ D=C\frac{\Delta t}{2}=C\frac{\Delta\varphi}{4\pi f_m} Δt=2πfm?Δφ?D=C2Δt?=C4πfm?Δφ?

時間測距的參量表如下：

參量	含義
t 0 t_0 t0?	激光發射時間
t 1 t_1 t1?	激光接收時間
C C C	光速 3 × 1 0 9 m / s 3\times10^9m/s 3×109m/s
Δ φ \Delta\varphi Δφ	激光收發波形相位差
D D D	激光測距值
f m f_m fm?	一個周期的頻率

測量特點

采用飛行時間原理制成的激光雷達傳感器特點如下：

• 價格昂貴
• 中遠距離精度高、近距離較差
• 測距范圍廣
• 抗干擾能力強，可用于室外定位

當測量物體較近，即 D D D值較小時，由于對計時器精度較高，故而測量精度一般。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的激光雷达：测距原理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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