2025-12-15
机器视觉——即机器解读并根据视觉输入进行反应的能力——是广泛应用于工业自动化与制造、物流与仓储、汽车与运输、安全与监控、农业等多个行业的核心技术。
以仓库自动化为例。根据市场调研公司 Markets.us 的数据，预计该市场将从2023年的210亿美元增长到2033年的910亿美元，2024年至2033年复合年增长率（CAGR）为15.9%。这一激增源于对更快订单履行的需求、人工成本上升以及客户对速度和准确性的期望提升，所有这些因素促使企业采用先进的自动化技术来简化运营。
与此同时，对毫米级自动化工业和机器人系统的需求正在加速增长。随着全球劳动年龄人口持续下降，仓储、制造、建筑和农业等行业正转向智能自动化以填补劳动力缺口并维持产能。机器视觉是这一变革的核心，使机器人能够执行需要卓越灵巧、视觉敏锐和实时决策的任务。
在工业环境中实现所需的高速精度绝非易事。机器必须在动态、杂乱且光线昏暗的环境中做出瞬间决策。考虑以下任务相关的挑战，例如：
高精度测量高速输送带上箱子的尺寸，实现自动分拣和发货。
测量输送带或卡车和火车车厢内散装货物的体积，用于物流和库存管理。
处理大型物品如托盘，安装在机械臂上的系统必须在不丢失准确性的情况下捕捉完整的三维尺寸。
扫描道路、铁路或跑道等表面，以在磨损、裂缝或碎片成为安全问题之前发现。
采矿作业中的传送带监测，尘埃、黑暗和振动使光学系统不可靠。
满足这些需求需要视觉系统，这些系统不仅能完成拍摄图像。它们必须提供精确的深度感知，应对多变的光照条件，并在恶劣或不可预测的环境中可靠地表现。它们必须超越静态图像供人类解读，而是以丰富、高质量的数据驱动感知形式提供视觉，这正是机器实现真正自主所需的。为此，工程师可以利用多种机器视觉技术，每种技术都有其独特的优势和局限，从传统摄像头到先进的激光雷达系统。
相机与光学系统相机广泛应用于机器视觉应用，因为它们能够捕捉高分辨率的二维图像，并且通过立体视觉或结构化光投影等技术，能够推断深度。这些方法非常适合表面检查、条码或标签读取以及颜色分析等任务。
然而，光学系统存在重要的局限性。它们的性能高度依赖受控光照，通常景深有限，且校准和维护较为复杂。即使是环境条件的微小变化也会降低准确性，使得摄像机不适合高速、大规模或需要强大深度感应的恶劣工业环境。
激光雷达系统激光雷达系统主要有三种类型：
dToF（直接飞行时间），测量透射光脉冲返回所需的时间。
iToF（间接飞行时间），测量发射波形与接收波形之间的相位偏移。
FMCW（频率调制连续波），新一代相干光学传感器，能够测量距离和速度。
在工业自动化领域，ToF激光雷达广泛用于基础的深度感测。例如，线扫描dToF系统可以安装在传送带上，发射光脉冲并测量其往返时间，构建一个由经过物体组成的三维点云。iToF系统的工作原理不同：它们发射连续的幅度调制束，测量发射信号与反射信号之间的相位偏移。
对透明水瓶箱在激光雷达下方输送机上以最高4米/秒速度移动的高精度3D成像。来源：SiLC这两个ToF选项面临类似的挑战。在明亮环境条件下，它们的性能会下降，因为红光或蓝紫激光容易“冲淡”。眼部安全考虑进一步限制了可用功率水平，通常需要在带有额外保护措施的二级激光输出下运行。ToF系统所实现的灵敏度远不足以捕捉工业自动化中许多涉及“难以看见”物体如透明塑料外壳的角落情况。因此，虽然这些系统成本效益高且适合短程或受控环境，但在实现现代工业应用中所需的准确性、稳健性和测距性能方面可能存在困难。
虽然ToF激光雷达系统在许多短距离和成本敏感的应用中有效，但它们受到精度有限、在明亮环境中的稳健性降低以及严格的激光安全限制所限制其可用功率的限制。这些权衡使得它们难以扩展到最具要求的工业自动化任务，而在这些任务中，更长的范围、高分辨率和在各种条件下的可靠性是必不可少的要求。
这正是FMCW激光雷达的强项。与ToF不同，FMCW发射的是频率随时间变化的连续激光束。通过分析部分透射光与反射光混合产生的拍频音，FMCW系统可以以极高的精度同时测量距离和速度。这种相干方法不仅能在广泛的距离范围内实现亚毫米级（数百微米级）的精度，还使FMCW天生抗环境光或其他激光雷达系统干扰。
大多数FMCW激光雷达系统采用1550纳米激光，波长超出了人类视网膜的敏感范围。这在保持一级眼部安全要求的同时实现了显著更高的输出功率，使这些系统非常适合长距离、高分辨率和高精度测量应用。
例如，FMCW激光雷达支持毫米级精度，范围可达10厘米至10米，且无“窗口”，且扫描速率快（每秒600线）和高分辨率（每行超过1300点）。FMCW激光雷达基于相干检测原理，具有极高的灵敏度，使得能够“看到”难以成像的物体，如透明水瓶。
这是一个由SiLC Technologies领先的FMCW线路扫描仪提供的示例性能。来源：SiLC
硅光子学和芯片集成FMCW激光雷达的最新进展正在重塑工业自动化，使新一代智能、具备视觉驱动的机器能够在动态、无结构环境中以前所未有的速度、精度和可靠性运行。
FMCW结合了长距离毫米级精度、对环境光的免疫以及速度/偏振感测——这些能力正成为高通量行业的关键任务。FMCW是实现物理人工智能的关键组成部分，机器能够感知、理解并与现实世界互动，连接数字与物理领域。
随着全球对效率、安全和可扩展性的加速需求，FMCW激光雷达不仅作为渐进式改进，更成为下一代机器视觉的定义性技术。
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