一輛成功的自動駕駛汽車將不得不使用緊密集成的傳感器系統(tǒng)來復(fù)制人類的駕駛能力。典型的人類駕駛員使用兩只眼睛、兩只耳朵和汽車的觸覺反饋來駕駛。他們的大腦實時處理所有這些信息，并參考他們龐大的駕駛經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫。復(fù)制人類駕駛所需的傳感器將包括雷達(dá)、激光雷達(dá)、攝像頭、慣性測量單元（IMU）和超聲波傳感器。這些系統(tǒng)中的每一個都有其優(yōu)勢，但也有字面上的盲點。一個傳感器極不可能被如此精致，以至于不需要其他傳感器。在本文中，我們將探討LIDAR的頂層設(shè)計考慮因素，LIDAR是一種將為任何自動駕駛解決方案提供重要數(shù)據(jù)的傳感器。

圖1.比較視覺、雷達(dá)和激光雷達(dá)的蜘蛛圖。

激光雷達(dá)是自動駕駛汽車中雷達(dá)的密切合作伙伴。這兩種技術(shù)都在沒有可見光的情況下運(yùn)行，這對于夜間駕駛或弱光條件至關(guān)重要。雷達(dá)適用于遠(yuǎn)距離檢測和跟蹤，而激光雷達(dá)提供更高的角度分辨率，允許物體識別和分類。換句話說，雷達(dá)有利于檢測那里可能有東西，而一旦雷達(dá)找到它，激光雷達(dá)就可以告訴你更多關(guān)于它的信息。

在設(shè)計激光雷達(dá)系統(tǒng)時存在技術(shù)挑戰(zhàn)，顯而易見的是保持在近紅外波長的眼睛安全限制以下。IEC 60825-1 中概述了這些安全準(zhǔn)則。這并不是要降低人眼安全的重要性——這里討論的方面都會影響人眼安全。有許多不同的激光雷達(dá)系統(tǒng)拓?fù)洌哂胁煌潭鹊脑O(shè)計復(fù)雜性，各有優(yōu)缺點。

從本質(zhì)上講，所有設(shè)計都有需要注意的相同基本方面。讓我們關(guān)注影響系統(tǒng)設(shè)計的人眼安全以外的考慮因素，即：最大化SNR、檢測要求、視場、熱考慮因素、功耗和航位推算。

從接收路徑來看，系統(tǒng)的信噪比（SNR）會影響在長距離（100 m至300 m）檢測小物體的能力。ADC本底噪聲不能超過接收路徑中的其他噪聲源。如果背景光或信號散粒噪聲貢獻(xiàn)低于ADC的本底噪聲或印刷電路板（PCB）噪聲，則精度將受到限制。在直接檢測拓?fù)渲袌?zhí)行飛行時間（To F）計算要求系統(tǒng)能夠輸出短脈沖（~1 ns至5 ns），并使用高采樣速率ADC進(jìn)行檢測。1 GSPS的采樣速度可在接收信號路徑上實現(xiàn)這一點。此外，請記住，ADC有效位數(shù)（ENOB）必須允許跨阻放大器（TIA）提供完整的輸出范圍，而不會對信號進(jìn)行削波。

圖3.激光雷達(dá)電氣架構(gòu)。

系統(tǒng)是否需要檢測 100 米外的籃球？確定關(guān)注物體的反射率和大小以及距離會限制TIA的可接受SNR。ADC必須檢測的相同脈沖要求TIA具有檢測窄脈沖的帶寬。由于系統(tǒng)必須處理的距離、反射率和物體尺寸范圍如此之廣，TIA 必須能夠從飽和事件中恢復(fù)。飽和事件可能發(fā)生在高反射物體上，該物體返回高百分比的透射光，使放大器飽和（例如，像限速標(biāo)志這樣的近距離物體）。這些事件很常見，系統(tǒng)恢復(fù)以提供準(zhǔn)確信息的速度對于安全至關(guān)重要。

所需的視野和角度分辨率也會影響檢測籃球的能力。發(fā)射和接收光學(xué)器件是決定視場的主要貢獻(xiàn)因素。角度分辨率將決定您是否可以在更遠(yuǎn)的距離檢測和分類籃球等物體，或者只是檢測物體是否存在。

處理這些系統(tǒng)所需的功率和可能產(chǎn)生的熱量給激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計人員帶來了重大挑戰(zhàn)。當(dāng)然，降低信號鏈的功耗將降低解決方案產(chǎn)生的熱量。元件的性能隨溫度變化很大，信號鏈中一些更容易受影響的元件將需要溫度補(bǔ)償。熱電控制器是高精度冷卻或加熱IC的好方法。例如，激光二極管需要溫度補(bǔ)償，以在 LIDAR 系統(tǒng)的工作溫度范圍內(nèi)保持波長和效率的運(yùn)行。

在某些情況下，雪崩光電二極管和激光器的電壓偏置需要數(shù)百伏的正電壓或負(fù)電壓才能工作。以高效率和盡可能少的元件產(chǎn)生這些電壓是最佳設(shè)計實踐。需要精密數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）來產(chǎn)生偏置點、電流和電壓，以提供精確的基準(zhǔn)輸入。除了1.8 V至12 V的傳統(tǒng)電壓域外，LIDAR系統(tǒng)對電壓電平的需求也在增加。仔細(xì)選擇電源解決方案是有回報的，尤其是當(dāng)解決方案中增加了另一個電壓時。選擇具有關(guān)斷或低功耗模式的IC和電源也很重要，因為系統(tǒng)可以靈活地循環(huán)多個通道。

與激光雷達(dá)傳感器集成的 IMU 具有許多優(yōu)勢。IMU 傳感器智能融合多軸陀螺儀和加速度計，為穩(wěn)定和導(dǎo)航應(yīng)用提供可靠的位置和運(yùn)動識別。精密微機(jī)電系統(tǒng) （MEMS） IMU 即使在復(fù)雜的操作環(huán)境中面對極端運(yùn)動動態(tài)時也能提供所需的精度水平。IMU 提供具有航位推算、定位和穩(wěn)定功能的自動駕駛系統(tǒng)。這反過來又在ADAS或GPS性能下降或不可用時向系統(tǒng)提供可信數(shù)據(jù)。IMU 受益于快速更新速率（每秒數(shù)千個樣本），并且不受外部環(huán)境變化的影響。IMU 越穩(wěn)定，為系統(tǒng)提供關(guān)鍵見解的時間就越長。

IMU 可以直接集成到 LIDAR 模塊中，以檢測、分析和校正汽車環(huán)境中常見的振動。例如，IMU輸出可用于移動LIDAR點云，否則這些點云會因車輛在道路上的坑洼上行駛而未對齊。旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)系統(tǒng)上的軸承磨損也可以使用IMU檢測，這允許在現(xiàn)場發(fā)生故障之前對激光雷達(dá)進(jìn)行維修。

結(jié)論

在初始產(chǎn)品定義期間，需要注意LIDAR系統(tǒng)的復(fù)雜性，以確定可接受的SNR、檢測要求、視場、熱限制和功耗。意識到哪些組件是每個組件的主要貢獻(xiàn)者，以及仔細(xì)的IC選擇，可以增加成功設(shè)計的機(jī)會。

審核編輯：郭婷