最近國內(nèi)疫情反復得比較厲害，除了標配的核酸測試點肉眼可見地增加了起來外，還有些可可愛愛的“小幫手”也集體上了崗。喏，小編在辦公室樓下就捉到了“一只”：

其實，像這樣的“小幫手”在我們的生活中早早就出現(xiàn)了，比如掃地機器人、傳菜機器人、AGV小車等。如此種種，給我們的生活帶來了更多的便利和舒適。慢慢地，除了室內(nèi)，在更多戶外的場景中，也出現(xiàn)了它們的身影，就像這里提到的戶外防疫車，乃至于園區(qū)物流車、園區(qū)送餐車、清潔車、巡邏車等。

對于它們來講，都有著一個相同的特點，那就是“知進退”。換句話說：自己的路得自己看著走，遇到障礙物知道躲，走進死胡同曉得退。幫助它們獲得這個能力的關鍵技術之一，就是我們所說的激光雷達（LiDAR）；而不同的是，在不同應用場景和需求下（如室內(nèi)外、速度快慢、測距遠近等），對它們能力級要求則大相徑庭，LiDAR實現(xiàn)測距的技術手段也不盡相同。

LiDAR中最常被用的激光測距方法有三種：脈沖式激光測距（直接ToF）、相位式激光測距（間接ToF）、三角測距。前兩者屬于飛行時間法（Time of Flight，ToF），最后一種屬于空間幾何法。

對于像防疫小車這樣的戶外、低速、中短距的應用，哪一本“武功秘籍”是最適合拿來修煉的呢？

iToF的喜與憂

三角法首先會被排除。因為其精度會隨著距離的增加逐漸變差，而且由于在此系統(tǒng)中，光電探測器接收的是待測目標面的散射光，一般僅適合室內(nèi)近距離工作，而不適合在戶外強光背景或者室內(nèi)強光背景下工作。

再來看看ToF。Time of Flight，即飛行時間法，通過計算信號光發(fā)射到從物體返回的時間差計算待測物體距離：

直接飛行時間法（Direct ToF）：發(fā)射窄脈寬（ns級）信號光，信號光從物體反射后使用探測器接收反射光，通過判斷回波信號時間來計算探測物體的距離。dToF LiDAR在探測器端常采用MPPC、APD、PIN PD器件，配合時間計算芯片和電路對距離進行解算。

間接飛行時間法（Indirect ToF）：發(fā)射經(jīng)過調(diào)試的信號光，接收到的反射調(diào)制光和發(fā)射的調(diào)制光之間存在一個時間/相位差，通過檢測時間/相位差即可測量物體距離。iToF LiDAR在探測端需使用特殊功能的探測器，通過探測器內(nèi)置電路實現(xiàn)反射光的積分和電荷轉(zhuǎn)移功能，外置時序發(fā)生器和算法電路實現(xiàn)距離的檢測。

不同的原理讓兩者各自擁有不同的擅長領域：

dToF探測端可選高增益的探測器，同時脈沖激光的發(fā)射角小，能量在空間相對集中，瞬時功率大，利用這些特性可制成各種中遠距離的LiDAR，實現(xiàn)從數(shù)m到數(shù)百m的測量距離，很多無人駕駛汽車中使用的LiDAR模組就是采用的dToF的方案；

iToF因探測器端無增益，最遠探測距離則只能到10 m~20 m。但是，iToF探測器則更具有靈活性，探測器件往往采用CMOS工藝制造，無需高壓操作，可以靈活實現(xiàn)單點/線陣/面陣探測器設計。采用線陣/面陣探測器時，因探測器本身具有一定視場角，測距時也無需像dToF方案那樣掃描裝置，模組結(jié)構(gòu)更加簡單。

所以在像類似防疫小車這樣的戶外、低速、中短距的應用中，理論上兩種方法都可以，但就性價比來講靈活度更好、結(jié)構(gòu)更簡單的iToF方案往往被選中。然而，也正是這樣的原理和它所使用的CMOS圖像感器本身的特性，也給iToF帶了在靈敏度、測量距離和環(huán)境光干擾方面的差強人意（相對于dToF而言），也是它一直在面對著這樣的一些課題：

為了整體系統(tǒng)性能的提升，作為探測器的圖像傳感器得挑起大梁。

首先，“近紅外增強”這一招是必須得練的，即提高對940 nm、905 nm、850 nm光的探測靈敏度，繼而可以提高整體LiDAR模組的靈敏度；然后，提高單像素等效容值，就可以讓傳感器的電荷積分更多、積累電荷時間更長，這有益于更長距離的測量；最后，普通的圖像傳感器很容易飽和，抑制背景光的能力，可以從探測器本身信噪比的提升和后續(xù)電路優(yōu)化來提高。

圍繞著這些需求痛點，濱松基于iToF需求的第二代距離圖像傳感器誕生了。產(chǎn)品涵蓋了線陣/面陣的應用。采用改進背照式工藝，具有小封裝尺寸、近紅外高靈敏度、背景光抑制、高動態(tài)范圍等一眾特點。

新產(chǎn)品具有無損讀出功能，可以在無電荷損失的情況下讀出幀內(nèi)不同積分時間的信號。

如果入射信號較強（物體較近且具有高反射率）或環(huán)境光較強，距離圖像傳感器很容易飽和，因此必須縮短積分時間。如果入射信號或環(huán)境光較弱，則必須增加積分時間。這些問題可以通過使用無損輸出來解決。通過無損讀出，可以讀出幀內(nèi)不同積分時間的信號，通過選擇具有最佳積分時間的信號，實現(xiàn)較寬的動態(tài)范圍，進一步抑制了環(huán)境光的影響。

靠著背景光抑制電路和無損讀出兩大“法寶”，基本可以跟環(huán)境光影響說bye bye，跟無壓力戶外工作說hi hi啦！

除了探測器本身以外，濱松還可提供配套的ASIC，幫助用戶輕松解決外圍控制問題，上手即用。

對于iToF來說，除了我們今天聚焦的室外/室內(nèi)強光環(huán)境下低速、中短距離應用以外（如無人機定高，室外大型掃地機、室外機器人、園區(qū)小型物流車等），還有著更廣闊的應用，如傳送帶物體檢測、安檢攝像頭等。

▲ iToF更多的適用場景

在具體的應用場景之下，根據(jù)具體的需求，將不同的測距方法進行對比，最后才能選擇最合適、性價比最高的方案。濱松也可為眾多LiDAR方案提供全線的光電探測器、激光器產(chǎn)品，并可滿足高度定制化、車規(guī)級等高標準需求。

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