TOF摄像机可以替代Flash激光雷达吗?

TOF可替代相机Flash激光雷达吗？

一．基于ToF技术的Flash激光雷达

基本成像原理ToF Camera与LiDAR同样，飞行时间测距技术(包括使用)也是如此APD或SPAD直接测距法和相关波调制的间接测量法)。区别在于应用场景、结构设计和发射光波长不同。

洛伦兹I系列产品采用ToF激光工作波长850nm，50可以探测到最远m，视场角达60°x 45°，可输出QVGA（320 x 240)尺寸深度图、灰度图、点云图，最高帧速可达120FPS，测距精度为2cm或1%；配置千兆以太网（数据/命令） CAN(命令)接口，TCP/IP协议传输，适用于各种操作系统。

I系列特点：

• 测量距离远:最远可探测50m；

• 抗强光干扰：可在正午阳光下超过100kLux下工作；

• 高可靠性和环境适应性：使用寿命超过1万小时；工作温度-400℃~85℃；适用于复杂环境，防水、防尘、防盐雾、防雷；

• 多机协同工作：具备多机协同工作的能力，避免相互干扰。

I系列应用：

• 各种低速车辆：物流车、环卫车、接驳车AGV等；

• 各种机器人：服务机器人、仓储机器人、特种机器人等；

• 安全监控：周边防护、入侵监控、人员计数、定位和跟踪；

• 也可用于包装箱尺寸测量、交通路测等。

二．TOF摄像机与Flash激光雷达基本特性

TOF相机即Time to Flight原则上，相机Flash激光雷达完全一致，没有区别，TOF相机更多时候被称为深度相机或3D相机。

Flash激光雷达又称焦平面成像激光雷达。

实际TOF相机类似于传统的机械扫描激光雷达，传统的机械扫描激光雷达是逐点扫描成像TOF是照射成像。

TOF相机和激光雷达的区别只是应用范围的不同。目前，大多数TOF相机用于手机等近距离(2米以内)领域，汽车激光雷达用于(0.2-250米之间）。

机械扫描激光雷达覆盖360度，TOF相机一般水平FOV为55度。

与传统相机相比，TOF相机主动发射激光，激光返回物体表面，接收激光雷达光电接收二极管。

根据光速或相位计算光源与目标之间的距离，最终形成深度图像。

传统相机是自然光返回到传统相机传感器中的光电二极管，根据反射光的强度形成图像。

TOF相机原理和激光雷达没有区别

三．TOF摄像机比Flash激光雷达的优点

1. TOF相机相比激光雷达优势非常明显，最大的优势是体积和成本，TOF相机体积可以很小，与普通相机没有区别，TOF相机集成度高，可采用半导体工艺制造，集成图像传感器阵列在芯片上（Image Sensor Array）、读出电路（Read-Out）和镜头。再配合VCSEL发射激光，整个系统的理论成本和手机TOF和相机一样，不超过30美元。

2. 其他优点是刷新频率高，线扫描激光雷达刷新频率一般为5-10Hz，Flash激光雷达可以轻松实现KHz。

3. 读取电路简单(即积分电路可以集成在新的传感器产品中)，计算能力需求极低，不需要昂贵GPU或FPGA做运算单元。

4. 分辨率高，目前量产TOF松下像素为640的相机*480，水平FOV为55度，垂直FOV为41度，10Hz每秒300万，Velodyne64线激光雷达每秒130万点，但这是360度扫描，如果只有55度，那么只有20万点左右，远低于TOF相机，TOF相机相当于960线激光雷达。而最新的TOF相机已达到100万像素，即约3168线激光雷达。

上图为松下TOF相机参数，松下TOF相机可以输出深度图像，RGB图像和NIR但有效距离不得超过4.5米。

四、产品及应用

传统的解决方案是用单光子接收光电二极管，传统的激光雷达接收光电二极管是APD。APD即雪崩二极管有两种工作模式，一种是雪崩模式，或线性模式，另一种是盖革模式，即单光子探测模式（Single Photon Diode SPD）。

在盖革模式下，如果雪崩二极管接收到光子，就会发生雪崩，使电流达到最大值。这个过程通常是瞬态的(通常不到1ps)，这样，光子就可以在很短的时间内计数了。

利用TDC(时间数字转换器，一种积分成像技术，包括TAC和ADC可直接生成3步D数字图像信号。

缺点是高功率SPAD一般需要1550纳米InGaAs/InP工艺的APD，而这种APD成本比较高。不过拥趸依然不少，典型代表是德国大陆汽车、IBEO ZF、Ouster、Argo和丰田。

2016 年9月，前 Google 员工 Salesky 和前 Uber 员工Peter Rander 联合创办了 Argo AI。2017年2月，福特公司10 亿美元注资 Argo AI。Argo2017年10月，获得福特资金支持后，立即展开收购，ArgoAI 收购激光雷达初创公司Princeton Lightwave，具体交易量不明，估计在1亿美元左右。PrincetonLightwave来自著名的普林斯顿大学，成立于2000年，测绘领域的单光子激光雷达直到2016年才开始进入汽车领域。

PrincetonLightwave虽然来自普林斯顿大学，但其技术来源是MIT林肯实验室，世界顶级单光子激光雷达实验室。2014年，林肯实验室将单光子激光雷达技术授权给波音旗下的两家公司Spectrolab，另一家就是Princeton Lightwave。波音-西科斯基在美国下一代直升机上使用单光子激光雷达。

早在2010年，丰田就开始开发单光子激光雷达，产品于2014年和2015年推出。

早在2010年，丰田就开始开发单光子激光雷达，产品于2014年和2015年推出。

尽管2017年丰田TRI投资了Luminar，但这并不意味着丰田放弃了单光子，丰田中央研究院于2017年底发表了关于单光子激光雷达的论文SPAD DCNN: Localization with Small Imaging LIDAR andDCNN，丰田第三代单光子激光雷达低调提到。

IBEO固态激光雷达的核心也是VCSEL和SPAD。

相对于微机械和MEMS，IBEO可靠性和灵活性要高得多，相对不可扫描Flash激光雷达也有一定的优势。

相对于微机械和MEMS，IBEO可靠性和灵活性要高得多，相对不可扫描Flash激光雷达也有一定的优势。

IBEO单光子激光雷达可输出点云和反射强度信息Flash反射强度信息可能无法输出。

IBEO称之为 ibeoNEXT Generic 4D Solid State LiDAR。水平FOV可选择11.42度，60度，120度。D是反射强度信息，反射强度信息近似于传统摄像头的灰度图像，可以用传统的图像识别算法分类。

2019年8月27日，WEY长城汽车和激光雷达制造商的品牌母公司Ibeo、北京亮道正式签署了激光雷达技术战略合作协议，三方合作的产品基础是 ibeoNEXT Generic 4D Solid State LiDAR。 SPAD它不仅有远距离，而且具有高信噪比、高人眼安全和高分辨率的优点。信噪比是传感器最重要的参数之一。非相关激光雷达的信噪比SNR方程可以表示为：

从上述公式可以看出，提高信噪比最简单有效的方法是提高接收信号的光功率和量子效率。单光子或盖革模式APD其量子效率为机械旋转雷达硅PIN数百甚至数千倍的二极管。

要提高功率，必须考虑人眼安全，不适合常用的905纳米，只有1550纳米InGaAs，与905纳米的硅光电探测器相比，它是安全的几千倍，可以毫无顾虑地增加激光器的功率。固态激光雷达领域知名Luminar就是以使用1550纳米的InGaAs特点是激光器的功率是传统硅光电系统的40倍，不仅提高了信噪比，还将脉冲宽度降低到20纳秒以下，脉冲重复频率低于100MHz，比例低于1%。同时，提高了有效距离，降低了物体在雨雪雾天的反射率，缩短了激光雷达的有效距离。Luminar就是这样，Luminar即使是射率为10%的物体，有效距离可达200米。

关于激光功率的放大，Luminar申请专利。其专利是用二级大模场混合的光纤（EDFA）放大器将种子源激光调制到脉冲宽度小于20纳秒，脉冲重复频率小于100MHz，脉冲激光系统占空比小于1%。Luminar一是种子源激光，二是掺饵光纤放大器。 激光雷达的Z轴分辨率取决于脉冲宽度。激光雷达有一个简单的公式。激光雷达的Z轴分辨率约为脉冲宽度的1/6，10纳秒的脉冲宽度分辨率约为1.6米。Velodyne64线激光雷达HDL-64E早期脉冲宽度为10纳秒，据说改为双反射后提高到5纳秒。大多数固态激光雷达一般为50-150纳秒，单光子可轻松达到1纳秒甚至几十皮秒。远比大多数激光雷达好。 此外，光束角也在一定程度上决定了有效距离MEMS激光雷达光路复杂，光束角大，一般为10mrad以上，Flash激光雷达一次成像，光路简单，光束角小，1mrad，单光子也是一种Flash类型激光雷达。Velodyne HDL-64的光束角为8mrad。

2020年2月，松下在国际固态电路Solid-State Circuits Conference宣布开发100米最远250米、100万像素的有效距离TOF图像传感器。标志着单光子激光雷达最终将统一江湖。

松下对传统SAD进行了改进，从平面型改为垂直堆叠型，这来自松下早年在CCD Image Sensor领域积累的丰富经验。改进后每个像素元的尺寸大大缩小，意味着像素可以更高。

为提高精度各距离范围内采用不同的技术，10米内是传统的非直接TOF技术，即相位检测，精度可达毫米级。10米到100米内采用光子累加和时域非直接TOF技术，精度为厘米级。超过100米采用直接DOF，精度为1.5米。不仅是松下，三星、索尼、意法半导体、Omnivision、还有收购了爱尔兰Sensl的安森美都在开发类似的TOF图像传感器。

三星TOF图像传感器芯片截面分析

这种传感器一旦量产，将碾压现有任何非360度旋转型激光雷达，无论功耗、刷新率、成本、性能、体积、车规，都具备压倒性的优势。 https://bbs.mountblade.com.cn/thread-2065561-1-1.html https://bbs.mountblade.com.cn/thread-2065562-1-1.html https://bbs.mountblade.com.cn/thread-2065563-1-1.html https://bbs.mountblade.com.cn/thread-2065564-1-1.html https://bbs.mountblade.com.cn/thread-2065565-1-1.html https://bbs.mountblade.com.cn/thread-2065566-1-1.html https://bbs.mountblade.com.cn/thread-2065567-1-1.html https://mvp.leju.com/article/6676019357896235273.html https://bbs.mountblade.com.cn/thread-2065572-1-1.html https://bbs.mountblade.com.cn/thread-2065573-1-1.html https://bbs.mountblade.com.cn/thread-2065574-1-1.html https://bbs.mountblade.com.cn/thread-2065575-1-1.html https://bbs.mountblade.com.cn/thread-2065576-1-1.html https://bbs.mountblade.com.cn/thread-2065577-1-1.html https://bbs.mountblade.com.cn/thread-2065578-1-1.html https://bbs.mountblade.com.cn/thread-2065579-1-1.html https://blog.csdn.net/beifang01/article/details/106648362 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