激光雷达的测距方式及其应用

激光雷达LiDAR(LightLaser Detection and Ranging)，是激光探测及测距系统的简称。用激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物 。由发射机 、天线 、接收机 、跟踪架及信息处理等部分组成。激光雷达可通过三种不同的方式确定距离。

激光雷达传感器基于使用一个或多个激光束来进行距离测量。它们是有源传感器，以设定波长发射脉冲并接收返回信号。从激光脉冲的发射和接收确定距离测量的主要技术有以下三种：三角测量、飞行时间和相位。 

三角测量系统

它们由激光发射器和以恒定角度固定在它们之间的相机组成（图 1）。相机和激光发射器之间的距离和方向是已知的。激光在目标物体上发射一个图案，该图案在相机图像上可视化。根据到表面的距离，该点出现在相机视野中的不同位置。通过三角学，然后可以确定激光源和目标物体之间的距离。该技术主要用于短距离运行的便携式（手持）LiDAR 系统。

对于此类系统，测量误差与到被测物体的距离直接相关。因此，它主要用于有限的应用范围，通常小于 10 m。需要注意的是，这种技术可以达到十微米范围内的精度。

图1.激光三角测量设置使用相机和激光位置的固定角度偏移，可以推导出检测表面和相机传感器之间的线性距离。 

飞行时间测量系统

飞行时间 (ToF) 测量对应于激光脉冲从发射到检测到目标反射部分的传播时间。知道介质的折射率并使用光速，就可以推导出光的传播距离（图 2）。

限制 ToF 激光系统性能的是采集速度。这些系统需要先接收返回信号，然后再发射另一个激光脉冲。但是根据需要，可以增加激光发射的速度（点数），但要以距离为代价。它们用于远距离计算，例如太空、空中或汽车 LiDAR。

图2.飞行时间激光测量原理

相移测量系统

与 ToF 系统相比，相移测量系统又称相位式测量系统，需要使用连续激光器。通过对其进行调制（以频率幅度），就可以测量 2 个光束之间的相位差。光束在 LiDAR 系统的出口处分开。一个直接前往探测器，第二个前往目标并返回。

这些测量系统通常比飞行时间测量系统具有更高的数据采集速度、更好的分辨率、更低的噪声和更高的精度。这些系统的限制取决于所使用的调制类型（非周期性或周期性）。该技术可用于中距离系统，例如地面和室内 LiDAR 扫描仪。