前言：
目前主要的測距方式有：光學測距，超聲波和微波雷達測距。
光學測距又可以分為：雙目，結構光，ToF。微波雷達，在消費類產品中，常見的是波長在毫米級別的毫米波雷達。超聲波應用比較多的是在車載倒車雷達上。
它們各有優缺點，本章內容只針對在戶外低功耗場景的應用做分析。
(一)需求分析
市場需求
- 戶外場景(比如路邊，路面或是公園)
- 低功耗產品，最短半年換一次電池
- 探測近距離範圍內的車輛，動物等
- 全國範圍內可以使用
市面上已有的類似方案：影片樁，路牙機
需求分析
對市場需求進行進一步分析，可以梳理出下面幾個比較具體的產品需求:
- 光照強度範圍：0.2lx ~ 10萬lx (月光級~太陽直射)
- 氣候條件：雨天，霧霾，以及少量塵埃覆蓋條件下均可使用
- 溫度範圍：-40~80°C
- 環境干擾: 存在路邊花草覆蓋，垃圾遮擋，震動，無線等干擾情況
- 功耗要求：1Hz 檢測週期下，平均功耗低於5mW/s
(二)光學測距
光學測距型別
光學測距，主要有雙目，結構光和ToF三個技術方向。
結構光和雙目都屬於3D視覺技術，不但可以檢測出距離，還可以輸出速度，形狀等資訊。
ToF模組也有3D的，但如果只要檢測距離，不用測量速度和判斷物體形狀，1D ToF就可以滿足需求了。
ToF基本原理
ToF測距基本原理： ToF模組發射端將調製後的紅外光傳送出去，接收端接收到反射回來的光，透過傳送與反射回來光束的時間差或是相位差得到光飛行的時間。根據光的傳播速度，結合檢測到的飛行時間，可以計算出光傳播的距離，從而知道模組距離被測試物體的距離。
ToF 細分之下，又分兩種型別，iToF 和 dToF
iToF 原理
將調製後的光傳送出去，接收端接收到後，解析出接收到光束的相位，將它與傳送時的相位進行對比，間接計算出光的傳播時間，從而得到距離值。
TI 的 OPT3101 採用的就是iToF方式。
dToF 原理:
相比於 iToF 透過相位間接得到飛行時間，dToF 是透過傳送時刻與接收時刻的時間差直接得到飛行時間，汐映微 用在掃地機器人上的CS10-S2A 就是使用的dToF技術。系統框圖如下：
優點：
- 模組結構較小
- 探測角度較小
- 功耗小
缺點：
- 適用溫度範圍小(-10~60°C)
- 需要保持模組表面清潔
- 對光的干擾敏感
適用場景
-
適用於冬季溫度在-20°C以上地區，因為低溫環境下，
ToF模組的時鐘精度會下降，導致測量距離不準。另外光學器件靈敏度下降，會導致一些非線性的錯誤結果，還有可能出現啟動不了的情況。 -
適用於安裝在距離地面比較高的位置，並且模組上方有遮雨的結構設計。鏡頭有水，或者是鏡頭沾汙，會影響模組效能。
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適用於沒有陽光直射或是其它光干擾環境。目前使用比較多的ToF模組，鐳射波長在800~950nm 的範圍。太陽光直射，容易導致感光元器件過曝。如果有波長為800~950nm的其它光源，比如車燈，路燈，會對模組造成干擾。
(三)超聲波測距
超聲波測距，目前應用得最多的是在倒車雷達上，在近距離測距上使用非常多。一般人能聽到的聲波頻率範圍是20Hz~20Khz,低於20hz的我們叫次聲波，高於20Khz,我們叫超聲波。
測距原理
超聲波測距的基本原理是：將固定頻率的聲波發射出去，然後再檢測是否有該頻率的聲波被反射回來，透過計算傳送和接收的時間，可以知道聲波的傳輸時間，再乘以聲波的速度，就可以得到距離。
目前成熟度比較高的是 elmos 的 E524.09/08
優點
- 對環境光不敏感
- 雨天霧天或是表面有灰塵不影響使用
- 溫度範圍廣(-40~80°C)
缺點
- 準確度與探測物表面材質關係大
- 對溼度、風力和氣壓敏感
- 難以達到較小的探測角度
- 功耗較大
- 相應速度較慢
適用場景
- 適用於探測硬度較大物體。超聲波屬於機械波，如果被探測物表面非常軟，如海綿，會導致聲波被吸收，影響探測結果
- 適用於探測範圍比較大的場景。聲波是呈圓錐形發射，它的探測範圍會比較大，一般探頭的角度為40 * 80,或者是30 * 60;
- 適用於震動較小場景。由於近距離測距的超聲波模組，一般使用的是52KHz,或是58Khz,如果周圍有噪音，或是有處於同頻率的震動，會影響到檢測結果。
- 適用於-40°C ~ 80°C 的環境溫度，基本上可以覆蓋全國的戶外場景。
- 不適用於實時性要求高的場景。聲波在空氣中的傳播速度是340m/s,其檢測速度沒有光學測距快。
(四)微波雷達
微波雷達目前應用比較廣的是汽車上的自適應巡航、前向碰撞、盲區監測、自動泊車等系統。它們的探測距離會比較遠，可以到200米的距離，屬於中距離和遠距離探測器。
車載上使用的微波雷達，功耗很高，並不適用於普通消費級的低功耗裝置上。
目前在普通消費級裝置上，使用比較多的是頻率在24GHz的毫米波雷達，比如汐傑微的RKB1125FD 模組，它在1Hz 檢測週期下，平均功耗可以做到3.5mW/s
測距原理
測距原理和方式，跟ToF模組相類似，分為兩種：一種是透過相位間接得到時間(調頻式連續毫米波雷達),一種是直接得到時間(脈衝式毫米波雷達)，目前使用的基本上是調頻式連續毫米波雷達。
優點
- 雨霧天氣不影響使用
- 功耗較低
- 抗干擾能力強
- 溫度範圍較大(-30~80°C)
缺點
- 天線角度較大
- 距離精確度不是很高
適用場景
- 適用於模組結構比較大的裝置。在微波雷達中，尺寸最大的部分是微波雷達的天線，天線尺寸與探測角度是成反比，如果要小角度探測範圍，那麼天線的尺寸會相應的變大。
- 適用溫度範圍較大，比ToF範圍廣，但比不上超聲波。
- 適用於響應速度較快場景，其速度接近ToF模組，遠高於超聲波。
- 適用於準確度要求不太高的場景。就目前有測試到的模組，在近距離應用環境中，它的準確度並不這麼高。
- 適用於低功耗場景。它與超聲波相比，在同樣使用條件下，功耗可以低2倍左右。
總結
回到文章最開始市場的需求，就目前已經已接觸到的模組，並沒有哪種型別模組可以滿足全部的需求。鐳射，超聲波，毫米波它們都有適合的應用場景，同時也都有各種侷限性。
我們需要根據自己的實際使用場景選擇合適的模組，也可以多種探測器組合使用。
在市場的驅動下，也許在不久的將來，會有新的技術出來，能夠解決上面所有應用場景的限制。
