3、自动驾驶飞行时间（ToF）激光雷达基础解析

自动驾驶飞行时间（ToF）激光雷达基础解析

1. 激光雷达概述

激光雷达作为一种备受研究机构和行业关注的测量技术，在自动驾驶领域扮演着关键角色，推动着自动驾驶在道路上的实际应用。目前，激光雷达的技术方案多样，这使得主导技术趋势存在一定的不确定性。其测距原理主要包括直接飞行时间（ToF）、间接ToF和调频连续波（FMCW），下面将详细介绍这些原理以及激光雷达的结构。

2. ToF测距原理

激光雷达的主要功能是通过激光束测量与物体的距离，即“测距”。单点激光雷达也被称为测距仪，可逐点测量距离。结合扫描系统，能获取携带周围环境距离信息的点云，进而生成3D深度图。

激光雷达的测距方式取决于激光束的信号调制类型，其中直接ToF方法是最广泛采用的方式。直接ToF在时域对激光束进行调制，发射激光脉冲到目标，通过计算激光脉冲的往返时间来测量距离。间接ToF基于连续波的幅度调制（AMCW），通过比较原始信号和返回信号的相移来测量距离。而FMCW则通过调制连续波的频率，利用多普勒效应测量距离和速度，类似于长距离光通信中常用的技术。

直接ToF测距公式为：
[d = \frac{c\times\Delta t}{2}]
其中，(d)是到目标的距离，(c)是自由空间中的光速（(300000 km s^{-1})），(\Delta t)是往返时间。由于光速在不变介质中是恒定的，距离与测量的往返时间成正比。测距分辨率取决于时间判别和计数电子设备的精度，厘米级的深度分辨率要求测量的时间间隔约为0.06 - 0.6 ns。为了获得更好的判别效果，脉冲应尽可能短（通常为几纳秒到100纳秒），且上升和下降时间要快。但由于时间判别和计数电子设备存在抖动和