4、传感器原理（二）：激光雷达（LiDAR）原理、ToF与FMCW技术对比、单线与多线激光雷达
好，咱们接着聊传感器。上一章讲了摄像头，这一章轮到激光雷达了。
说实话，激光雷达这玩意儿，我最早接触是在2016年做无人车项目的时候。那时候一台64线激光雷达要几十万，我们团队都把它当宝贝供着。现在价格已经打下来了，但原理还是那些原理。
4.1 激光雷达的基本原理
激光雷达，英文叫LiDAR（Light Detection And Ranging）。说白了，就是「用激光来测距」。
它的工作流程其实很简单：
- 发射：激光器发出一束脉冲激光
- 反射：激光打到目标物体上，反射回来
- 接收：接收器捕捉反射回来的激光
- 计算：根据发射和接收的时间差，算出距离
嗯，这里要注意。激光雷达和普通雷达最大的区别在于波长。激光用的是红外光或可见光，波长在几百纳米到几微米之间。而毫米波雷达用的是毫米波，波长在几毫米。波长越短，精度越高，但受天气影响也越大。
核心公式：距离 = 光速 × 时间差 / 2
为什么除以2？因为激光走了个来回。这个公式是所有激光雷达的基础。
我在项目里遇到过一个问题：激光打到玻璃上会直接穿透，导致测距失败。后来我们加了偏振滤波，才解决了这个问题。所以做产品时，一定要考虑目标物体的材质。
4.2 ToF与FMCW技术对比
目前主流的激光雷达测距技术有两种：ToF（Time of Flight，飞行时间法）和FMCW（Frequency Modulated Continuous Wave，调频连续波）。
4.2.1 ToF技术
ToF的原理最直观。发射一个短脉冲，等它反射回来，算时间差。
你想想看，光速是3×10⁸ m/s。如果目标在100米外，激光来回就是200米，时间差大约是0.67微秒。这个时间非常短，对电子器件的响应速度要求极高。
ToF的优点：
- 原理简单，实现成本低
- 适合中短距离（0.1m - 200m）
- 技术成熟，市面上大部分激光雷达都用ToF
ToF的缺点：
- 容易受环境光干扰（太阳光里也有红外成分）
- 多机干扰问题（多台激光雷达同时工作会互相影响）
- 测距精度受限于脉冲宽度
避坑指南：我曾经在一个项目中同时用了4台ToF激光雷达，结果它们互相串扰，测出来的数据全是错的。后来我们加了编码调制，让每台雷达的脉冲序列不同，才解决了这个问题。
4.2.2 FMCW技术
FMCW就有点不一样了。它不发射脉冲，而是发射频率连续变化的激光。
具体来说：发射的激光频率随时间线性变化（比如从190THz扫到191THz）。反射回来的激光频率也会变化，但会有个延迟。把发射信号和接收信号混频，就能得到差频信号。这个差频信号的大小，就对应着目标的距离。
FMCW的优点：
- 抗干扰能力强（因为用了相干检测）
- 可以直接测速度（多普勒效应）
- 对日光不敏感
FMCW的缺点：
- 系统复杂，成本高
- 对激光器的线宽要求极高
- 目前产业链还不成熟
| 对比项 | ToF | FMCW |
|---|---|---|
| 测距原理 | 脉冲飞行时间 | 调频连续波差频 |
| 测速能力 | 需多帧推算 | 单帧即可测速 |
| 抗干扰 | 弱 | 强 |
| 成本 | 低 | 高 |
| 典型应用 | 扫地机、AGV | 自动驾驶、高端机器人 |
我个人习惯是：做消费级产品用ToF，做车规级产品用FMCW。当然，这只是经验之谈，具体还得看项目需求。
4.3 单线与多线激光雷达
激光雷达按线数分，可以分为单线和多线。这里的「线」指的是激光束的数量。
4.3.1 单线激光雷达
单线激光雷达只有一束激光，通过旋转扫描，获得一个平面的点云数据。
说白了，它只能看到二维信息。就像你拿着一把尺子，在一个平面上转一圈，只能知道这个平面上有什么东西。
单线激光雷达的特点：
- 结构简单，成本低（几百到几千元）
- 数据量小，处理快
- 只能做2D建图和避障
我在做扫地机器人项目时，用的就是单线激光雷达。它只能扫描一个水平面，所以扫地机遇到低矮的障碍物（比如拖鞋）就识别不了。后来我们加了超声波传感器来弥补这个缺陷。
4.3.2 多线激光雷达
多线激光雷达有多个激光发射器，同时发射多束激光。常见的线数有16线、32线、64线、128线。
你想想看，64线激光雷达，就是64束激光同时扫描。每束激光对应一个角度，64束激光覆盖了垂直方向上的64个角度。这样就能获得三维点云数据。
多线激光雷达的特点：
- 能获取3D信息
- 点云密度高，细节丰富
- 成本高（几千到几十万）
- 数据量大，需要高性能处理器
注意：多线激光雷达的线数不是越多越好。线数越多，点云越密，但数据量也越大。我见过一个项目，用了128线激光雷达，结果工控机处理不过来，帧率掉到5Hz以下。最后只能降采样到32线使用。
4.4 知识体系结构图
下面这张图，是我梳理的本章知识结构。你可以把它当作一个思维导图来看。
4.5 选型建议
最后，我根据经验给几个选型建议：
- 室内低速场景（如扫地机、服务机器人）：单线ToF激光雷达就够了，成本低，够用。
- 室外中速场景（如园区物流车、巡检机器人）：建议用16线或32线ToF激光雷达，兼顾成本和性能。
- 高速自动驾驶场景（如乘用车、Robotaxi）：建议用FMCW激光雷达，抗干扰能力强，还能直接测速。
- 高精度测绘场景：建议用128线或更高线数的激光雷达，点云密度越高越好。
个人经验：选型时不要只看线数，还要看视场角（FOV）、测距精度、帧率、功耗这些参数。我曾经选了一款32线激光雷达，线数够用，但垂直视场角只有20度，导致机器人看不到脚下的坑。后来换了垂直视场角30度的型号才解决问题。
好了，这一章的内容就到这里。激光雷达的原理其实不复杂，但真正用好它，需要理解它的局限性和适用场景。下一章我们聊毫米波雷达，那个又是另一套玩法了。
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