激光雷達(dá)測(cè)量方法分類

激光雷達(dá)(Light Detection and Ranging，LiDAR)作為一種先進(jìn)的遙感技術(shù)，通過(guò)發(fā)射和接收激光脈沖來(lái)精確測(cè)量目標(biāo)的距離、速度以及形狀信息，并生成高質(zhì)量的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。其中，激光雷達(dá)的測(cè)距方法是其核心技術(shù)基礎(chǔ)，根據(jù)不同的工作原理和技術(shù)手段，可以細(xì)分為多個(gè)類別。本文將深入探討激光雷達(dá)的主要測(cè)量方法及其特點(diǎn)。

一、飛行時(shí)間測(cè)距法(Time of Flight，ToF)

飛行時(shí)間測(cè)距法是最直觀且廣泛應(yīng)用的激光雷達(dá)測(cè)距技術(shù)。其基本原理是向目標(biāo)發(fā)射一個(gè)短暫的激光脈沖，記錄發(fā)射時(shí)刻，然后捕捉并測(cè)量返回的反射脈沖到達(dá)接收器所需的時(shí)間。通過(guò)光速乘以往返時(shí)間的一半，即可精確計(jì)算出目標(biāo)的距離。此方法簡(jiǎn)單高效，適用于各種環(huán)境和距離范圍，測(cè)距精度極高。ToF測(cè)距法又可分為單脈沖測(cè)距和連續(xù)脈沖測(cè)距兩種形式，前者適用于短距離快速測(cè)距，后者則能在較遠(yuǎn)距離和復(fù)雜環(huán)境下實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的測(cè)量。

二、相位差測(cè)距法

相位差測(cè)距法主要包括連續(xù)波調(diào)頻連續(xù)波(Frequency Modulated Continuous Wave，F(xiàn)MCW)技術(shù)和調(diào)幅連續(xù)波(Amplitude Modulation Continuous Wave，AMCW)技術(shù)。

FMCW激光雷達(dá)：發(fā)射端發(fā)送的是連續(xù)調(diào)頻的激光，當(dāng)激光遇到目標(biāo)反射回來(lái)時(shí)，由于往返行程引起的頻率變化，會(huì)產(chǎn)生與目標(biāo)距離相關(guān)的相位差。通過(guò)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行混頻和解調(diào)，可以準(zhǔn)確測(cè)定這個(gè)相位差，進(jìn)而計(jì)算出目標(biāo)距離。FMCW雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)在于能夠在同一時(shí)間內(nèi)獲取多個(gè)距離信息，而且能夠同時(shí)測(cè)量速度，非常適合于動(dòng)態(tài)環(huán)境中對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的追蹤。

AMCW激光雷達(dá)：這種雷達(dá)系統(tǒng)通過(guò)調(diào)制連續(xù)激光的強(qiáng)度，通常是正弦波或三角波等，利用光波在往返過(guò)程中形成的相位差來(lái)間接求得飛行時(shí)間。相比ToF測(cè)距，AMCW測(cè)距法對(duì)于時(shí)鐘精度的要求略低，但同樣能實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)距，并且在某些條件下具有更好的信噪比表現(xiàn)。

三、三角測(cè)距法

三角測(cè)距法是另一種常用的測(cè)距策略，尤其在二維和三維激光掃描儀中常見。在這種方法中，激光光源發(fā)出的光線照射到物體上后，反射回來(lái)的光會(huì)在探測(cè)器上形成特定的位置。根據(jù)光源與探測(cè)器之間的固定幾何關(guān)系以及光斑在探測(cè)器上的位置變化，依據(jù)三角形相似原理計(jì)算出目標(biāo)距離。這種方法常用于結(jié)構(gòu)光掃描和一些靜態(tài)場(chǎng)景的三維重建。

四、干涉測(cè)距法

干涉測(cè)距法利用激光的相干性，通過(guò)比較參考光束與返回光束之間的干涉圖案或者相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)超高精度的測(cè)距。例如，相干連續(xù)波(Coherent CW)雷達(dá)利用邁克爾遜干涉儀原理，測(cè)量出微小的光程差，從而達(dá)到納米級(jí)別的測(cè)距精度，此類雷達(dá)常用于科學(xué)研究、大地測(cè)量和航空航天領(lǐng)域的精密測(cè)距需求。

激光雷達(dá)的測(cè)量方法中，飛行時(shí)間測(cè)距法(Time of Flight，TOF)和連續(xù)調(diào)頻波測(cè)距法(Frequency Modulated Continuous Wave，F(xiàn)MCW)較為常見。它們各自適用于不同的場(chǎng)景。

飛行時(shí)間測(cè)距法(TOF)通過(guò)直接測(cè)量激光發(fā)射、打到探測(cè)物體再返回到探測(cè)器的飛行時(shí)間，來(lái)反推探測(cè)器到被測(cè)物的距離。這種方法探測(cè)距離遠(yuǎn)且精度較高，因此自動(dòng)駕駛的車載激光雷達(dá)主要應(yīng)用這種方法。此外，它在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、無(wú)人駕駛汽車、洪水預(yù)警等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用，能夠幫助農(nóng)民減少田間施肥量，為自動(dòng)駕駛汽車提供全面的環(huán)境感知，以及為水文學(xué)家提供建立數(shù)字高程模型所需的數(shù)據(jù)。

連續(xù)調(diào)頻波測(cè)距法(FMCW)通過(guò)發(fā)射調(diào)頻連續(xù)的激光得到差拍信號(hào)頻率，進(jìn)而獲取目標(biāo)的距離和速度。這種方法在發(fā)射功率低的情況下能實(shí)現(xiàn)高分辨率，適用于汽車?yán)走_(dá)、近距成像等場(chǎng)景。其優(yōu)勢(shì)在于既可以測(cè)距又可以測(cè)速，尤其在近距離測(cè)量上表現(xiàn)優(yōu)異。

至于三角測(cè)距法，它基于三角幾何原理，雖然在一些單線激光雷達(dá)中有所應(yīng)用，但因其探測(cè)距離短和精度較差，所以成本較低，適用于一些對(duì)精度和距離要求不高的場(chǎng)景。

總結(jié)起來(lái)，激光雷達(dá)測(cè)距方法的多樣化是為了滿足不同應(yīng)用環(huán)境和性能需求而發(fā)展起來(lái)的。ToF測(cè)距法以其簡(jiǎn)潔直接的優(yōu)勢(shì)占據(jù)了主流地位，尤其是在自動(dòng)駕駛、無(wú)人機(jī)和機(jī)器人導(dǎo)航等領(lǐng)域;相位差測(cè)距法則憑借其多維度信息獲取能力和在動(dòng)態(tài)環(huán)境中的優(yōu)秀表現(xiàn)，逐步拓寬應(yīng)用范圍;三角測(cè)距法則在三維成像和靜態(tài)掃描上有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì);干涉測(cè)距法則服務(wù)于對(duì)精度要求極高的科研和高端應(yīng)用市場(chǎng)。每種方法都有其特定的技術(shù)挑戰(zhàn)和適用場(chǎng)景，隨著激光雷達(dá)技術(shù)的進(jìn)步，未來(lái)的測(cè)距方法將更加精密、多樣和智能。