TOF攝像機(jī)可以替代Flash激光雷達(dá)嗎？

一．基于ToF技術(shù)的Flash激光雷達(dá)

基本成像原理上ToF Camera與LiDAR相同，都采用飛行時間測距技術(shù)（包括利用APD或SPAD的直接測距法，和相干波調(diào)制的間接測量法）。不同之處在于應(yīng)用的場景、結(jié)構(gòu)設(shè)計和發(fā)射光波長存在不同。

洛倫茲I系列產(chǎn)品采用ToF測距原理，激光工作波長850nm，最遠(yuǎn)可以探測到50m，視場角達(dá)60°x 45°，可輸出QVGA（320 x 240）尺寸的深度圖、灰度圖及點(diǎn)云圖，最高幀速可達(dá)120FPS，測距精度為2cm或1%；配置千兆以太網(wǎng)（數(shù)據(jù)/命令）+CAN（命令）接口，TCP/IP協(xié)議傳輸，適用于各類操作系統(tǒng)。

I系列特點(diǎn)：

• 測量距離遠(yuǎn)：最遠(yuǎn)可以探測到50m；

• 抗強(qiáng)光干擾：可在正午陽光下超過100kLux下工作；

• 高可靠性及環(huán)境適應(yīng)性：使用壽命超過10000小時；工作溫度-40℃~85℃；防水、防塵、防鹽霧、避雷，適合在復(fù)雜環(huán)境應(yīng)用；

• 多機(jī)協(xié)同工作：具備多機(jī)協(xié)同工作的能力，避免相互干擾。

I系列應(yīng)用：

• 各類低速車輛：物流車、環(huán)衛(wèi)車、接駁車、AGV等；

• 各類機(jī)器人：服務(wù)機(jī)器人、倉儲機(jī)器人、特種機(jī)器人等；

• 安防監(jiān)控：周界防護(hù)、入侵監(jiān)測、人員計數(shù)、定位和跟蹤等；

• 還可用于包裹箱體尺寸測量、交通路測等。

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  二．TOF攝像機(jī)與Flash激光雷達(dá)基本特性

TOF相機(jī)即Time to Flight相機(jī)，從原理上講與Flash激光雷達(dá)完全一致，沒有任何區(qū)別，TOF相機(jī)更多時候被稱為深度相機(jī)或3D相機(jī)。

Flash激光雷達(dá)又叫焦平面成像激光雷達(dá)。

實(shí)際TOF相機(jī)與傳統(tǒng)機(jī)械掃描激光雷達(dá)也差不多，傳統(tǒng)機(jī)械掃描激光雷達(dá)是逐點(diǎn)掃描成像，而TOF是一次照射成像。

TOF相機(jī)與激光雷達(dá)的區(qū)別只是應(yīng)用范圍的差別，目前大多數(shù)TOF相機(jī)用在手機(jī)等近距離（2米以內(nèi)）領(lǐng)域，汽車用激光雷達(dá)則在（0.2-250米之間）。

再有就是機(jī)械掃描激光雷達(dá)是360度覆蓋的，TOF相機(jī)一般水平FOV為55度。

與傳統(tǒng)相機(jī)比，TOF相機(jī)是主動發(fā)射激光，激光到達(dá)物體表面返回，被激光雷達(dá)的光電接收二極管接收到。

根據(jù)光速或相位計算光源與目標(biāo)之間的距離，最終形成深度圖像。

傳統(tǒng)相機(jī)是自然光線到達(dá)物體表面返回到傳統(tǒng)相機(jī)傳感器里的光電二極管內(nèi)，根據(jù)反射光的強(qiáng)度最終形成圖像。

TOF相機(jī)原理與激光雷達(dá)無絲毫區(qū)別

三．TOF攝像機(jī)比Flash激光雷達(dá)優(yōu)勢

1. TOF相機(jī)相比激光雷達(dá)優(yōu)勢非常明顯，最大的優(yōu)勢是體積和成本，TOF相機(jī)體積可以很小，與普通相機(jī)沒有區(qū)別，TOF相機(jī)集成度高，可以用半導(dǎo)體工藝制造，在芯片上集成圖像傳感器陣列（Image Sensor Array）、讀出電路（Read-Out）和鏡頭。再配合VCSEL發(fā)射激光，整套系統(tǒng)理論成本和手機(jī)上的TOF相機(jī)一樣，不超過30美元。

2. 其他優(yōu)點(diǎn)還有：刷新頻率高，線掃描激光雷達(dá)刷新頻率一般是5-10Hz，Flash激光雷達(dá)可以輕易做到KHz。

3. 讀出電路簡單（就是一個積分電路可集成在傳感器新品內(nèi)），算力需求極低，無需昂貴的GPU或FPGA做運(yùn)算單元。

4. 分辨率高，目前量產(chǎn)的TOF相機(jī)，如松下的像素為640*480，水平FOV為55度，垂直FOV為41度，10Hz的話也就是每秒300萬點(diǎn)，而Velodyne的64線激光雷達(dá)每秒130萬點(diǎn)，但這是360度掃描的，如果只是55度，那么只有大約20萬點(diǎn)，遠(yuǎn)低于TOF相機(jī)，TOF相機(jī)相當(dāng)于960線激光雷達(dá)。而最新的TOF相機(jī)已經(jīng)達(dá)到100萬像素，也就是大約3168線激光雷達(dá)。
   
   上圖為松下TOF相機(jī)的參數(shù)，松下的TOF相機(jī)可以輸出深度圖像、RGB圖像和NIR圖像。不過有效距離應(yīng)該不超過4.5米。
   四．產(chǎn)品及應(yīng)用
   傳統(tǒng)解決有效距離的方法是使用單光子接收光電二極管，傳統(tǒng)激光雷達(dá)接收光電二極管是APD。APD即雪崩二極管有兩種工作模式，一種是雪崩模式，或者叫線性模式，另一種叫蓋革模式，也就是單光子探測模式（Single Photon Diode SPD）。

在蓋革模式下，雪崩二極管接收到一個光子的話,就會發(fā)生雪崩現(xiàn)象，使電流達(dá)到最大值，這個過程一般是瞬態(tài)的(一般不到1ps)，這樣就可以在極短的時間內(nèi)對光子進(jìn)行計數(shù)。

利用TDC（時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，一種積分成像技術(shù)，包含TAC和ADC兩步）可以直接生成3D數(shù)字圖像信號。

缺點(diǎn)是高功率的SPAD一般需要用1550納米的InGaAs/InP工藝的APD，而這種APD成本比較高。不過擁躉依然不少，典型代表是德國大陸汽車、IBEO ZF、Ouster、Argo和豐田。
2016 年9月，前 Google 員工 Salesky 和前 Uber 員工Peter
Rander 聯(lián)合創(chuàng)辦了 Argo AI。2017年2月，福特公司10 億美元注資 Argo
AI。Argo得到福特資金支持后，立刻展開收購，2017年10月，ArgoAI 收購了激光雷達(dá)初創(chuàng)公司Princeton Lightwave，具體交易額不詳，估計在1億美元上下。PrincetonLightwave源自知名的普林斯頓大學(xué)，2000年成立，主要方向測繪領(lǐng)域的單光子激光雷達(dá)，2016年才開始進(jìn)軍汽車領(lǐng)域。
PrincetonLightwave雖源自普林斯頓大學(xué)，但其技術(shù)來源是MIT的林肯實(shí)驗(yàn)室，全球最頂尖的單光子激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)室。2014年林肯實(shí)驗(yàn)室將單光子激光雷達(dá)技術(shù)授權(quán)給兩家公司，一家是波音旗下的Spectrolab，另一家就是Princeton Lightwave。波音-西科斯基將單光子激光雷達(dá)用在美軍下一代直升機(jī)上。 豐田早在2010年就開始研發(fā)單光子激光雷達(dá)，2014年和2015年均有產(chǎn)品問世。
豐田早在2010年就開始研發(fā)單光子激光雷達(dá)，2014年和2015年均有產(chǎn)品問世。

盡管在2017年豐田TRI投資了Luminar，但這并不意味著豐田放棄了單光子，在2017年底，豐田中央研究院發(fā)表了有關(guān)單光子激光雷達(dá)的論文SPAD DCNN:
Localization with Small Imaging LIDAR andDCNN，文中低調(diào)地提到了豐田的第三代單光子激光雷達(dá)。

IBEO的固態(tài)激光雷達(dá)核心也是VCSEL和SPAD。

相對微機(jī)械和MEMS，IBEO的可靠性和靈活性要高得多，相對無法掃描的Flash激光雷達(dá)也有一定優(yōu)勢。

相對微機(jī)械和MEMS，IBEO的可靠性和靈活性要高得多，相對無法掃描的Flash激光雷達(dá)也有一定優(yōu)勢。


IBEO的單光子激光雷達(dá)能輸出點(diǎn)云和反射強(qiáng)度信息，部分Flash可能無法輸出反射強(qiáng)度信息。

IBEO稱之為 ibeoNEXT Generic 4D Solid State LiDAR。水平FOV可選擇11.2度、60度和120度。稱之4D是反射強(qiáng)度信息，反射強(qiáng)度信息近似于傳統(tǒng)攝像頭的灰度圖像，可以用傳統(tǒng)的圖像識別算法分類。 2019年8月27日，WEY品牌母公司長城汽車與激光雷達(dá)廠商Ibeo、北京亮道正式簽署了激光雷達(dá)技術(shù)戰(zhàn)略合作協(xié)議，三方合作的產(chǎn)品基礎(chǔ)就是
ibeoNEXT Generic 4D Solid State LiDAR。 SPAD不僅擁有遠(yuǎn)距離，還擁有高信噪比、高人眼安全和高分辨率優(yōu)勢。對于傳感器來說，信噪比是最重要的參數(shù)之一。非相干激光雷達(dá)的信噪比SNR方程可以表示為：

從上面公式可以看出，要提高信噪比，最簡單有效的方法是提高接收信號光功率和量子效率。單光子或者說蓋革模式下的的APD其量子效率是機(jī)械旋轉(zhuǎn)雷達(dá)用的硅PIN二極管的數(shù)百乃至上千倍。

要提升功率，就不得不考慮人眼安全，對于常用的905納米來說是不合適的，只有1550納米的InGaAs，和905納米的硅光電探測器相比，要安全上千倍，，可以毫無顧慮地加大激光器的功率。固態(tài)激光雷達(dá)領(lǐng)域知名的Luminar就是以使用1550納米的InGaAs為特色的，其使用的激光器的功率是傳統(tǒng)硅光電系統(tǒng)的40倍，不僅提高信噪比，減小脈沖寬度至20納秒以下，脈沖重復(fù)頻率低于100MHz，占空比低于1%。同時提升了有效距離，在雨雪霧天，物體的反射率會降低，導(dǎo)致激光雷達(dá)有效距離縮短，不過加大功率，就可以解決這個問題，Luminar就是這么做的，Luminar強(qiáng)調(diào)即使10%反射率的物體，有效距離也可以達(dá)200米。
關(guān)于激光功率的放大，Luminar申請了專利。其專利是用二級大模場摻鉺光纖（EDFA）放大器將一個種子源激光調(diào)制為一個脈沖寬度至20納秒以下，脈沖重復(fù)頻率低于100MHz，占空比低于1%的脈沖激光系統(tǒng)。Luminar的專利核心一個是種子源激光，另一個是摻餌光纖放大器。 激光雷達(dá)的Z軸分辨率取決于脈沖寬度，激光雷達(dá)里有個簡單的公式，激光雷達(dá)的Z軸分辨率是脈沖寬度的1/6，10納秒的脈沖寬度分辨率大約就是1.6米。Velodyne的64線激光雷達(dá)HDL-64E早期的脈沖寬度是10納秒，據(jù)說改為雙反射后提高到5納秒。大部分固態(tài)激光雷達(dá)一般是50-150納秒，單光子可以輕易做到1納秒甚至是幾十皮秒。遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于大部分激光雷達(dá)。 再來說光束角，光束角也在一定程度上決定有效距離，使用MEMS的激光雷達(dá)光路復(fù)雜，光束角都很大，一般是10mrad以上，Flash型激光雷達(dá)一次成像，光路簡單，光束角比較小，可以做到1mrad，單光子也是一種Flash型激光雷達(dá)。Velodyne HDL-64的光束角為8mrad。

2020年2月，松下在國際固態(tài)電路Solid-State Circuits Conference宣布開發(fā)了有效距離100米最遠(yuǎn)250米，且達(dá)100萬像素的TOF圖像傳感器。標(biāo)志著單光子激光雷達(dá)最終將一統(tǒng)江湖。

松下對傳統(tǒng)的SPAD進(jìn)行了改進(jìn)，從平面型改為垂直堆疊型，這來自松下早年在CCD Image Sensor領(lǐng)域積累的豐富經(jīng)驗(yàn)。改進(jìn)后每個像素元的尺寸大大縮小，意味著像素可以更高。

為提高精度各距離范圍內(nèi)采用不同的技術(shù)，10米內(nèi)是傳統(tǒng)的非直接TOF技術(shù)，即相位檢測，精度可達(dá)毫米級。10米到100米內(nèi)采用光子累加和時域非直接TOF技術(shù)，精度為厘米級。超過100米采用直接DOF，精度為1.5米。不僅是松下，三星、索尼、意法半導(dǎo)體、Omnivision、還有收購了愛爾蘭Sensl的安森美都在開發(fā)類似的TOF圖像傳感器。

三星TOF圖像傳感器芯片截面分析
這種傳感器一旦量產(chǎn)，將碾壓現(xiàn)有任何非360度旋轉(zhuǎn)型激光雷達(dá)，無論功耗、刷新率、成本、性能、體積、車規(guī)，都具備壓倒性的優(yōu)勢。

總結(jié)

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