引言

激光雷達 (LIDAR)是指光探測與測距技術，有時亦稱為飛行時間 (ToF) 或激光掃描儀，是一種探測物體并測量其距離的檢測方式。這一技術的工作原理是使用光脈沖照射某個目標，然后測量反射返回信號的特性。光脈沖寬度在數(shù)納秒到數(shù)微秒間不等。

圖 1 所示為激光雷達的基本原理，即以特定模式發(fā)射光信號，然后根據(jù)接收端收集的反射信號提取信息。用于從光信號提取信息的常見參數(shù)包括脈沖功率、往返時間、相移和脈寬。

圖 1：基于脈沖飛行時間的激光雷達系統(tǒng)

為什么選擇光信號？與雷達、超聲波傳感器或攝像頭等其他現(xiàn)有技術相比，激光雷達有什么特殊之處？是什么讓激光雷達廣受推崇？遠距離激光雷達將成為自動駕駛應用的重要傳感器，本白皮書將探討與之相關的各類問題。除自動駕駛車輛外，激光雷達也應用于3D 航空和地理測繪、工廠安全系統(tǒng)、靈巧彈藥和氣體分析。

自動駕駛汽車的檢測和成像

制造商正在為現(xiàn)代汽車配備各種各樣的高級控制和感應功能。碰撞警告和防撞系統(tǒng)、盲點監(jiān)控、車道保持輔助、車道偏離警告和自適應巡航控制系統(tǒng)，可協(xié)助駕駛員并實現(xiàn)某些駕駛操作的自動化，從而提供更安全、更輕松的駕駛體驗。

激光雷達、雷達、超聲波傳感器和攝像頭都有各自的優(yōu)缺點。高度或完全自動駕駛的車輛通常使用多種傳感器技術，在各種天氣和照明條件下提供車輛四周的遠距離和近距離準確地圖。除了利用多種技術取長補短，保持足夠的重疊對提高冗余和安全性也至關重要。傳感器融合是利用多種傳感器技術生成汽車周圍環(huán)境的精確可靠地圖。

超聲波在空氣中傳播幾米后會大幅衰減，因此，超聲波傳感器主要用于短距離物體檢測。

攝像頭是隨處可見、具有成本效益的傳感器，但是需要經(jīng)過大量處理工作才能提取有用信息，而且它在很大程度上依賴環(huán)境光條件。攝像頭的獨特之處在于，它們是唯一能“識別顏色”的技術。因此，汽車使用攝像頭可實現(xiàn)車道保持輔助功能。

激光雷達和成像雷達具有各種常見的互補功能，如提供周圍環(huán)境地圖和測量物體速率。我們從幾個類別對這兩種技術進行對比：

距離：激光雷達和成像雷達系統(tǒng)能檢測幾米到 200m 以上距離范圍內(nèi)的物體。成像雷達無法檢測近距離物體。雷達可以檢測 1m 以內(nèi)到 200m以外的物體，具體取決于系統(tǒng)類型：短距離、中距離或遠距離雷達。

空間分辨率：這才是激光雷達的關鍵所在。憑借其激光準直功能和短波長（905nm 至 1,550nm）特性，激光雷達可實現(xiàn)約 0.1 度的紅外 (IR) 光空間分辨率。因此，即使不進行大量的后端處理，也能對場景中的物體進行高分辨率的 3D 特征描述。另一方面，由于波長（77GHz，4mm）限制，雷達在遠距離解析細微特征方面存在困難。

視場 (FOV)：固態(tài)激光雷達和雷達均具有出色的水平 FOV（方位角），而機械式激光雷達系統(tǒng)通過 360° 旋轉(zhuǎn)，在所有高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 技術中具有超寬的 FOV。一直以來，激光雷達具有比一般雷達更廣的垂直 FOV（仰角）。激光雷達可提供角分辨率（方位角和仰角視角），這是優(yōu)化物體分類所需的一個主要特性。

天氣條件：雷達系統(tǒng)最大的優(yōu)勢之一是其在雨、霧和雪等天氣中的可靠性。而激光雷達的性能在上述天氣條件下一般會有所下降。借助 1,550nm 的紅外波長，激光雷達可在惡劣天氣條件下實現(xiàn)更優(yōu)的性能。

環(huán)境光：激光雷達和攝像頭均易受環(huán)境光條件的影響。然而在夜間，激光雷達和成像雷達系統(tǒng)能展現(xiàn)出極高的性能，因為它們都自帶照明。雷達和調(diào)制激光雷達技術均不受其他傳感器的干擾。

成本和尺寸：雷達系統(tǒng)近年來已成為主流，尺寸高度緊湊，價格也很實惠。隨著激光雷達的普及，其成本陡降，從約 50,000 美元降至 10,000 美元以下。由于集成度更高，系統(tǒng)尺寸和成本得以降低，雷達在現(xiàn)代汽車中的主流應用已成為可能。幾年以前，機械掃描激光雷達系統(tǒng)體積龐大，通常安裝在各種自動駕駛出租車上；隨著這些年技術的進步，激光雷達變得不再臃腫。向固態(tài)激光雷達的轉(zhuǎn)變將進一步縮減系統(tǒng)尺寸和降低成本。

激光雷達類型

現(xiàn)有的激光雷達系統(tǒng)種類多樣，本文將重點介紹其中的窄脈沖 ToF測量方法。激光雷達系統(tǒng)中有兩種波束控制類型：

機械式激光雷達利用高級的光學器件和旋轉(zhuǎn)部件，提供寬（通常是 360 度）FOV。其機械特性可在寬 FOV 范圍內(nèi)提供高信噪比 (SNR)，但會造成尺寸偏大（盡管尺寸已經(jīng)有所縮減）。

固態(tài)激光雷達沒有旋轉(zhuǎn)機械組件，且 FOV 偏小，因此成本較低。通過位于汽車前后和側(cè)面的多個通道以及融合多通道數(shù)據(jù)，可產(chǎn)生優(yōu)于機械式激光雷達的 FOV。

固態(tài)激光雷達具有多種實現(xiàn)方式，包括：

微機電系統(tǒng) (MEMS) 激光雷達：MEMS 激光雷達系統(tǒng)利用傾斜角隨激勵（如電壓）不同而變化的微鏡。實際上，MEMS 利用機電等效件替代了機械掃描硬件。用于確定接收 SNR 的 MEMS 接收器收光孔徑通常很小（毫米級）。要在多個維度移動激光束，需要級聯(lián)多個微鏡。這一校準過程非常重要，而且安裝后易受車輛行駛中沖擊和振動的影響。MEMS 系統(tǒng)的另一個隱患是，讓 MEMS 器件承受低至 -40°C 的溫度很具挑戰(zhàn)性。

閃光激光雷達：閃光激光雷達的工作原理與使用光學閃存的標準數(shù)字攝像頭非常相似。在閃光激光雷達中，一個大面積激光脈沖照射前方環(huán)境，而與其靠近的焦平面陣列光電探測器收集反向反射光。探測器采集圖像距離、位置和反射強度。與機械激光掃描法相比，這種方法能采集單個圖像中的整個場景，因此，數(shù)據(jù)采集率更快。除此之外，由于單次閃光可捕獲整個圖像，這種方法不會受振動影響而損壞圖像。其不足之處在于實際環(huán)境中反光體的存在。反光體會反射大部分光信號，而反向反射很少，會對整個傳感器產(chǎn)生盲區(qū)，可用性降低。這種方法的另一個缺點是，要照射整個場景和確保視野足夠遠，需要很高的峰值激光功率。為了符合眼部安全要求，激光雷達主要用于中短距離檢測系統(tǒng)。

光學相控陣 (OPA)：OPA 工作原理與相控陣雷達類似。在OPA 系統(tǒng)中，光學相位調(diào)制器控制光穿過透鏡的速度?？刂乒馑倌軐崿F(xiàn)對光波陣面形狀的控制，如圖 2 所示。頂部光束未發(fā)生延遲，而中間和底部光束延遲量遞增。該現(xiàn)象有效地“控制”激光光束指向不同方向。類似方法也可用于控制朝向傳感器的反向散射光，因此無需使用機械運動部件。

圖 2：一個 OPA

調(diào)頻連續(xù)波 (FMCW) 激光雷達：雖然上述方法以使用窄光脈沖的 ToF 原理為基礎，但 FMCW 利用相干方法產(chǎn)生調(diào)頻激光的簡單線性調(diào)頻脈沖。通過測量返回線性調(diào)頻脈沖的相位和頻率，系統(tǒng)能依據(jù)多普勒原理測量出距離和速率。盡管生成線性調(diào)頻脈沖增加了難度，但 FMCW 方法簡化了負載和光學器件的計算過程。FMCW 系統(tǒng)所需的激光功率遠低于脈沖 ToF 系統(tǒng)所需的激光功率，因而 FMCW 適用于遠距離檢測應用，在霧天、雨雪等惡劣天氣條件下也表現(xiàn)良好。

激光雷達子系統(tǒng)

圖 3 展示了激光雷達的完整功能模塊子系統(tǒng)，包括信號鏈、電源、接口、時鐘和監(jiān)控/診斷子系統(tǒng)。激光雷達信號鏈的主要子系統(tǒng)包括發(fā)射系統(tǒng) (Tx)、接收系統(tǒng) (Rx)和提取點云信息的自定義數(shù)字處理系統(tǒng)。TI 提供適用于青色顯示功能塊的器件。

圖 3：激光雷達模塊包括信號鏈、電源、接口、時鐘監(jiān)控或診斷子系統(tǒng)

激光雷達系統(tǒng)集成

對于需要通過進一步集成實現(xiàn)高密度的系統(tǒng)，TI 為 Tx 路徑提供激光驅(qū)動器，并提供放大器來處理 Rx 路徑中從光電探測器直接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 或時數(shù)轉(zhuǎn)換器 (TDC) 的連接。LMG1025是一款分立式激光驅(qū)動器，可驅(qū)動能夠產(chǎn)生 1.25nS 脈沖的外部氮化鎵場效應晶體管 (FET)。TI 的集成式LMH13000激光驅(qū)動器無需外部 FET，可利用高達5A 的 50mA 可調(diào)電流驅(qū)動激光，產(chǎn)生 <1ns 的脈沖。此外，LMH13000?的尺寸大約是分立式激光驅(qū)動器解決方案的四分之一。并聯(lián)使用多個 LMH13000 器件可增加進入激光器的電流量。

TI 的接收路徑放大器包括適用于基于 ADC 的系統(tǒng)的LMH32401和LMH32404，以及適用于基于 TDC 的系統(tǒng)的LMH34400。這些器件集成了高速互阻抗放大器 (TIA)補償網(wǎng)絡，并具有環(huán)境光消除、輸入過流鉗位保護和多路復用器模式等特性，因此非常適合激光雷達應用。

環(huán)境光消除電路通過消除直流環(huán)境光信號來更好地檢測輸入電流，并且可以取代光電二極管和放大器之間的交流耦合，因而可節(jié)省布板空間。當放大器檢測到其節(jié)點進入飽和狀態(tài)時，輸入過流保護鉗位會吸收多余的電流并將多余的電流轉(zhuǎn)移到正電源，從而使放大器更快地恢復到線性狀態(tài)并將脈沖擴展限制在幾納秒以內(nèi)。集成式激光雷達 TIA 具有集成的輸出開關，允許將多個光電二極管和放大器通道連接到更少的 ADC 和 TDC 通道，因此無需使用分立式多路復用器。這樣便可以使用多個傳感器，同時節(jié)省通常由多個 ADC 和 TDC 通道占用的布板空間。

結(jié)語

全球的自動駕駛汽車商業(yè)化即將踏上激動人心的征程，驅(qū)動這一領域發(fā)展的技術和架構(gòu)也在不斷變化。激光雷達才在業(yè)內(nèi)嶄露頭角，但這項技術憑借自身的優(yōu)勢正在快速創(chuàng)新。與較為成熟的傳感器系統(tǒng)相比，激光雷達擁有更高的性能、更緊湊的體積，同時成本也與之相當。