引言

激光雷達(dá) (LIDAR)是指光探測(cè)與測(cè)距技術(shù)，有時(shí)亦稱為飛行時(shí)間 (ToF) 或激光掃描儀，是一種探測(cè)物體并測(cè)量其距離的檢測(cè)方式。這一技術(shù)的工作原理是使用光脈沖照射某個(gè)目標(biāo)，然后測(cè)量反射返回信號(hào)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(dá)的基本原理，即以特定模式發(fā)射光信號(hào)，然后根據(jù)接收端收集的反射信號(hào)提取信息。用于從光信號(hào)提取信息的常見(jiàn)參數(shù)包括脈沖功率、往返時(shí)間、相移和脈寬。

圖 1：基于脈沖飛行時(shí)間的激光雷達(dá)系統(tǒng)

為什么選擇光信號(hào)？與雷達(dá)、超聲波傳感器或攝像頭等其他現(xiàn)有技術(shù)相比，激光雷達(dá)有什么特殊之處？是什么讓激光雷達(dá)廣受推崇？遠(yuǎn)距離激光雷達(dá)將成為自動(dòng)駕駛應(yīng)用的重要傳感器，本白皮書(shū)將探討與之相關(guān)的各類問(wèn)題。除自動(dòng)駕駛車輛外，激光雷達(dá)也應(yīng)用于3D 航空和地理測(cè)繪、工廠安全系統(tǒng)、靈巧彈藥和氣體分析。

自動(dòng)駕駛汽車的檢測(cè)和成像

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

激光雷達(dá)、雷達(dá)、超聲波傳感器和攝像頭都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。高度或完全自動(dòng)駕駛的車輛通常使用多種傳感器技術(shù)，在各種天氣和照明條件下提供車輛四周的遠(yuǎn)距離和近距離準(zhǔn)確地圖。除了利用多種技術(shù)取長(zhǎng)補(bǔ)短，保持足夠的重疊對(duì)提高冗余和安全性也至關(guān)重要。傳感器融合是利用多種傳感器技術(shù)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(huì)大幅衰減，因此，超聲波傳感器主要用于短距離物體檢測(cè)。

攝像頭是隨處可見(jiàn)、具有成本效益的傳感器，但是需要經(jīng)過(guò)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(dú)特之處在于，它們是唯一能“識(shí)別顏色”的技術(shù)。因此，汽車使用攝像頭可實(shí)現(xiàn)車道保持輔助功能。

激光雷達(dá)和成像雷達(dá)具有各種常見(jiàn)的互補(bǔ)功能，如提供周圍環(huán)境地圖和測(cè)量物體速率。我們從幾個(gè)類別對(duì)這兩種技術(shù)進(jìn)行對(duì)比：

距離：激光雷達(dá)和成像雷達(dá)系統(tǒng)能檢測(cè)幾米到 200m 以上距離范圍內(nèi)的物體。成像雷達(dá)無(wú)法檢測(cè)近距離物體。雷達(dá)可以檢測(cè) 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(yuǎn)距離雷達(dá)。

空間分辨率：這才是激光雷達(dá)的關(guān)鍵所在。憑借其激光準(zhǔn)直功能和短波長(zhǎng)（905nm 至 1,550nm）特性，激光雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)約 0.1 度的紅外 (IR) 光空間分辨率。因此，即使不進(jìn)行大量的后端處理，也能對(duì)場(chǎng)景中的物體進(jìn)行高分辨率的 3D 特征描述。另一方面，由于波長(zhǎng)（77GHz，4mm）限制，雷達(dá)在遠(yuǎn)距離解析細(xì)微特征方面存在困難。

視場(chǎng) (FOV)：固態(tài)激光雷達(dá)和雷達(dá)均具有出色的水平 FOV（方位角），而機(jī)械式激光雷達(dá)系統(tǒng)通過(guò) 360° 旋轉(zhuǎn)，在所有高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 技術(shù)中具有超寬的 FOV。一直以來(lái)，激光雷達(dá)具有比一般雷達(dá)更廣的垂直 FOV（仰角）。激光雷達(dá)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(gè)主要特性。

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

環(huán)境光：激光雷達(dá)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(dá)和成像雷達(dá)系統(tǒng)能展現(xiàn)出極高的性能，因?yàn)樗鼈兌甲詭д彰?。雷達(dá)和調(diào)制激光雷達(dá)技術(shù)均不受其他傳感器的干擾。

成本和尺寸：雷達(dá)系統(tǒng)近年來(lái)已成為主流，尺寸高度緊湊，價(jià)格也很實(shí)惠。隨著激光雷達(dá)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(dá)在現(xiàn)代汽車中的主流應(yīng)用已成為可能。幾年以前，機(jī)械掃描激光雷達(dá)系統(tǒng)體積龐大，通常安裝在各種自動(dòng)駕駛出租車上；隨著這些年技術(shù)的進(jìn)步，激光雷達(dá)變得不再臃腫。向固態(tài)激光雷達(dá)的轉(zhuǎn)變將進(jìn)一步縮減系統(tǒng)尺寸和降低成本。

激光雷達(dá)類型

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

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

固態(tài)激光雷達(dá)沒(méi)有旋轉(zhuǎn)機(jī)械組件，且 FOV 偏小，因此成本較低。通過(guò)位于汽車前后和側(cè)面的多個(gè)通道以及融合多通道數(shù)據(jù)，可產(chǎn)生優(yōu)于機(jī)械式激光雷達(dá)的 FOV。

固態(tài)激光雷達(dá)具有多種實(shí)現(xiàn)方式，包括：

微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 激光雷達(dá)：MEMS 激光雷達(dá)系統(tǒng)利用傾斜角隨激勵(lì)（如電壓）不同而變化的微鏡。實(shí)際上，MEMS 利用機(jī)電等效件替代了機(jī)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(jí)）。要在多個(gè)維度移動(dòng)激光束，需要級(jí)聯(lián)多個(gè)微鏡。這一校準(zhǔn)過(guò)程非常重要，而且安裝后易受車輛行駛中沖擊和振動(dòng)的影響。MEMS 系統(tǒng)的另一個(gè)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(dá)：閃光激光雷達(dá)的工作原理與使用光學(xué)閃存的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字?jǐn)z像頭非常相似。在閃光激光雷達(dá)中，一個(gè)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(cè)器收集反向反射光。探測(cè)器采集圖像距離、位置和反射強(qiáng)度。與機(jī)械激光掃描法相比，這種方法能采集單個(gè)圖像中的整個(gè)場(chǎng)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(gè)圖像，這種方法不會(huì)受振動(dòng)影響而損壞圖像。其不足之處在于實(shí)際環(huán)境中反光體的存在。反光體會(huì)反射大部分光信號(hào)，而反向反射很少，會(huì)對(duì)整個(gè)傳感器產(chǎn)生盲區(qū)，可用性降低。這種方法的另一個(gè)缺點(diǎn)是，要照射整個(gè)場(chǎng)景和確保視野足夠遠(yuǎn)，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(dá)主要用于中短距離檢測(cè)系統(tǒng)。

光學(xué)相控陣 (OPA)：OPA 工作原理與相控陣?yán)走_(dá)類似。在OPA 系統(tǒng)中，光學(xué)相位調(diào)制器控制光穿過(guò)透鏡的速度?？刂乒馑倌軐?shí)現(xiàn)對(duì)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(wú)需使用機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件。

圖 2：一個(gè) OPA

調(diào)頻連續(xù)波 (FMCW) 激光雷達(dá)：雖然上述方法以使用窄光脈沖的 ToF 原理為基礎(chǔ)，但 FMCW 利用相干方法產(chǎn)生調(diào)頻激光的簡(jiǎn)單線性調(diào)頻脈沖。通過(guò)測(cè)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(cè)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(jiǎn)化了負(fù)載和光學(xué)器件的計(jì)算過(guò)程。FMCW 系統(tǒng)所需的激光功率遠(yuǎn)低于脈沖 ToF 系統(tǒng)所需的激光功率，因而 FMCW 適用于遠(yuǎn)距離檢測(cè)應(yīng)用，在霧天、雨雪等惡劣天氣條件下也表現(xiàn)良好。

激光雷達(dá)子系統(tǒng)

圖 3 展示了激光雷達(dá)的完整功能模塊子系統(tǒng)，包括信號(hào)鏈、電源、接口、時(shí)鐘和監(jiān)控/診斷子系統(tǒng)。激光雷達(dá)信號(hào)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(diǎn)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(dá)模塊包括信號(hào)鏈、電源、接口、時(shí)鐘監(jiān)控或診斷子系統(tǒng)

激光雷達(dá)系統(tǒng)集成

對(duì)于需要通過(guò)進(jìn)一步集成實(shí)現(xiàn)高密度的系統(tǒng)，TI 為 Tx 路徑提供激光驅(qū)動(dòng)器，并提供放大器來(lái)處理 Rx 路徑中從光電探測(cè)器直接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 或時(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換器 (TDC) 的連接。LMG1025是一款分立式激光驅(qū)動(dòng)器，可驅(qū)動(dòng)能夠產(chǎn)生 1.25nS 脈沖的外部氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET)。TI 的集成式LMH13000激光驅(qū)動(dòng)器無(wú)需外部 FET，可利用高達(dá)5A 的 50mA 可調(diào)電流驅(qū)動(dòng)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(dòng)器解決方案的四分之一。并聯(lián)使用多個(gè) LMH13000 器件可增加進(jìn)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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，并具有環(huán)境光消除、輸入過(guò)流鉗位保護(hù)和多路復(fù)用器模式等特性，因此非常適合激光雷達(dá)應(yīng)用。

環(huán)境光消除電路通過(guò)消除直流環(huán)境光信號(hào)來(lái)更好地檢測(cè)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(dāng)放大器檢測(cè)到其節(jié)點(diǎn)進(jìn)入飽和狀態(tài)時(shí)，輸入過(guò)流保護(hù)鉗位會(huì)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(fù)到線性狀態(tài)并將脈沖擴(kuò)展限制在幾納秒以內(nèi)。集成式激光雷達(dá) TIA 具有集成的輸出開(kāi)關(guān)，允許將多個(gè)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(wú)需使用分立式多路復(fù)用器。這樣便可以使用多個(gè)傳感器，同時(shí)節(jié)省通常由多個(gè) ADC 和 TDC 通道占用的布板空間。

結(jié)語(yǔ)

全球的自動(dòng)駕駛汽車商業(yè)化即將踏上激動(dòng)人心的征程，驅(qū)動(dòng)這一領(lǐng)域發(fā)展的技術(shù)和架構(gòu)也在不斷變化。激光雷達(dá)才在業(yè)內(nèi)嶄露頭角，但這項(xiàng)技術(shù)憑借自身的優(yōu)勢(shì)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(dá)擁有更高的性能、更緊湊的體積，同時(shí)成本也與之相當(dāng)。