LIDAR的感知挑戰(zhàn)

成功的自動駕駛汽車必定將使用緊密集成的傳感器系統來達到甚至超越人類的駕駛能力。人類駕駛員一般利用雙眼、雙耳，以及車輛運動給人的反饋來駕駛汽車。我們的大腦會實時處理所有這些信息，并從人腦的駕駛經驗數據庫中直覺反應。復現人類駕駛能力所需的傳感器包括雷達、激光雷達(LIDAR)、攝像頭、慣性測量單元(IMU)，以及超聲波傳感器。每種系統都有其優(yōu)勢，也有其缺點。單一傳感器的精度和性性能不足以取代所有其他傳感器相輔相成的多傳感器融合是大趨勢。

本文將介紹與LIDAR有關的主要設計考量，LIDAR是一種傳感器，為各種自動駕駛解決方案提供大量數據。

圖1. 蛛網圖，比較視覺、雷達和LIDAR。

在自動駕駛汽車中，LIDAR與雷達密切合作。這兩種技術在工作中不會產生可見光，這對于夜間駕駛或弱光條件至關重要。雷達適合遠距離檢測和跟蹤，LIDAR則提供更高的角分辨率，可以識別對象并對其進行分類。換句話說，雷達適合檢測對象是否存在，LIDAR則能夠在雷達檢測到對象的基礎上提供關于該對象的具體信息。

設計LIDAR系統時會面臨一些技術挑戰(zhàn)，主要挑戰(zhàn)之一就是近紅外波長要保持在人眼安全限值之下。關于這些安全指南，請參考IEC 60825-1。這并不是要降低人眼安全的重要性，本文探討的所有方面最終都會影響人眼安全。目前存在多種不同的LIDAR系統技術，設計復雜程度各不相同，各有其優(yōu)點和缺點。

重要的是，所有設計需要關注的基礎方面都相同。再此我們著重討論人眼安全以外影響系統設計的其他方面，包括：SNR最大化、最小可檢測要求、視場、散熱、功耗，以及航位推測。

查看接收鏈路，會發(fā)現系統的信噪比(SNR)會影響在遠距離（100米至300米）檢測小型目標的能力。ADC噪底不能超過接收路徑中的其他噪聲源。如果背景光或散粒噪聲貢獻因素低于ADC的噪底或印刷電路板(PCB)噪聲，系統精度就會受限。采用直接飛行時間(ToF)法要求系統可以輸出短脈沖（~1 ns至5 ns）， 且使用高采樣速率ADC檢測這些脈沖。采樣速率達到1 GSPS，即可滿足接收信號鏈路需求。此外，請注意，ADC的有效位數(ENOB)必須支持跨阻放大器(TIA)的整個輸出范圍，不能對信號實施削波。

圖3. LIDAR電氣架構。

系統需要檢測100米開外的籃球嗎？確定相關對象的反射率、尺寸和距離，會決定TIA的SNR需求。與ADC相同，TIA也需要檢測同樣的窄脈沖。因為系統需要處理的對象的距離、反射率和尺寸范圍甚廣，所以TIA必須能夠在飽和后中快速恢復。高反射（比如交通標志怕愛）或近距離目標能反射強光而造成TIA飽和。這些都是常見事件，而系統恢復的速度（以盡量減少致盲時間）對于安全性至關重要。

系統的視場和角分辨率也會影響到檢測一個籃球的能力。發(fā)射和接收光學是決定視場的主要因素。角分辨率決定您能遠距離檢測籃球大小的目標并進行分類，還是只能檢測目標的存在。

對于LIDAR系統設計人員來說，處理這些系統的功耗和散熱是不小的挑戰(zhàn)。當然，降低信號鏈的功耗會相應降低產生的熱量。組件在的性能隨溫度會出現大幅變化，其中更敏感的一些組件可能需要溫度補償。使用熱電控制器是一種不錯的方法，可以高度準確地對IC進行冷卻或加熱。如果追求精確的話，發(fā)光和感光二極管都需要溫度補償，以在LIDAR系統的工作溫度范圍內保持穩(wěn)定的工作波長和效率。

在某些情況下，對雪崩光電二極管和激光器施加的偏置電壓要到幾百伏（正壓或負壓）。高效生成這些電壓，且使用盡可能少的組件，是優(yōu)質設計實踐所追求的。要提供準確的基準電壓源，需要使用精密數模轉換器(DAC)生成偏置點、電流和電壓。沿著傳統的1.8 V至12 V電壓域，LIDAR系統對電壓的需求是有所增加的。小心選擇電源解決方案可以處理這一問題，尤其是解決方案中額外添加一種電壓時。選擇具備關斷或低功率模式的IC和電源也非常重要，這樣的系統可以靈活高能效地輪詢多個通道。

集成LIDAR傳感器的IMU具備多種優(yōu)勢。IMU傳感器智能地融合多軸陀螺儀和加速度計，為除震和導航應用提供可靠的位置和運動識別。即使在復雜的操作環(huán)境下，面臨極限運動動力學問題時，精密微機電系統(MEMS) IMU也能提供所需的精度。

IMU為自動駕駛系統提供航位推測、定位和穩(wěn)定功能。反過來，在ADAS或GPS性能下降，或者不可用時，上述功能又能為系統提供可靠的數據。IMU能夠有效利用高更新速率（每秒數千個樣本），且可以不受外部環(huán)境變化干擾。IMU越穩(wěn)定，越能長時間為系統提供關鍵且可靠的航跡信息。

IMU可以直接集成到LIDAR模塊中，用于檢測、分析和糾正車輛運行環(huán)境中常見的振動。例如，IMU輸出可輔助拼接LIDAR點云，否則，這些點云會因為車輛越過路面坑洼而出現偏離。此外，還可以使用IMU檢測旋轉式LIDAR系統的軸承磨損，以在實際出現故障之前維修LIDAR，提高安全性。

結論

在最初產品定義期間，需要考慮LIDAR系統的復雜性，以確定可接受的SNR、檢測要求、視野、散熱限制以及功耗。了解哪些組件是各個問題的主要貢獻因素，同時謹慎選擇IC，可以大大提高設計的成功幾率。