LIDAR感知挑戰(zhàn)

成功的自動(dòng)駕駛汽車必定將使用緊密集成的傳感器系統(tǒng)來達(dá)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(yùn)動(dòng)給人的反饋來駕駛汽車。我們的大腦會(huì)實(shí)時(shí)處理所有這些信息，并從人腦的駕駛經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫中直覺反應(yīng)。復(fù)現(xiàn)人類駕駛能力所需的傳感器包括雷達(dá)、激光雷達(dá)(LIDAR)、攝像頭、慣性測(cè)量單元(IMU)，以及超聲波傳感器。每種系統(tǒng)都有其優(yōu)勢(shì)，也有其缺點(diǎn)。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(shì)。本文將介紹與LIDAR有關(guān)的主要設(shè)計(jì)考量，LIDAR是一種傳感器，為各種自動(dòng)駕駛解決方案提供大量數(shù)據(jù)。

在自動(dòng)駕駛汽車中，LIDAR與雷達(dá)密切合作。這兩種技術(shù)在工作中不會(huì)產(chǎn)生可見光，這對(duì)于夜間駕駛或弱光條件至關(guān)重要。雷達(dá)適合遠(yuǎn)距離檢測(cè)和跟蹤，LIDAR則提供更高的角分辨率，可以識(shí)別對(duì)象并對(duì)其進(jìn)行分類。換句話說，雷達(dá)適合檢測(cè)對(duì)象是否存在，LIDAR則能夠在雷達(dá)檢測(cè)到對(duì)象的基礎(chǔ)上提供關(guān)于該對(duì)象的具體信息。

設(shè)計(jì)LIDAR系統(tǒng)時(shí)會(huì)面臨一些技術(shù)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(guān)于這些安全指南，請(qǐng)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(huì)影響人眼安全。目前存在多種不同的LIDAR系統(tǒng)技術(shù)，設(shè)計(jì)復(fù)雜程度各不相同，各有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

重要的是，所有設(shè)計(jì)需要關(guān)注的基礎(chǔ)方面都相同。再此我們著重討論人眼安全以外影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)的其他方面，包括：SNR最大化、最小可檢測(cè)要求、視場(chǎng)、散熱、功耗，以及航位推測(cè)。

查看接收鏈路，會(huì)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的信噪比(SNR)會(huì)影響在遠(yuǎn)距離（100米至300米）檢測(cè)小型目標(biāo)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(xiàn)因素低于ADC的噪底或印刷電路板(PCB)噪聲，系統(tǒng)精度就會(huì)受限。采用直接飛行時(shí)間(ToF)法要求系統(tǒng)可以輸出短脈沖（~1 ns至5 ns），且使用高采樣速率ADC檢測(cè)這些脈沖。采樣速率達(dá)到1 GSPS，即可滿足接收信號(hào)鏈路需求。此外，請(qǐng)注意，ADC的有效位數(shù)(ENOB)必須支持跨阻放大器(TIA)的整個(gè)輸出范圍，不能對(duì)信號(hào)實(shí)施削波。

系統(tǒng)需要檢測(cè)100米開外的籃球嗎？確定相關(guān)對(duì)象的反射率、尺寸和距離，會(huì)決定TIA的SNR需求。與ADC相同， TIA也需要檢測(cè)同樣的窄脈沖。因?yàn)橄到y(tǒng)需要處理的對(duì)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(fù)。高反射（比如交通標(biāo)志怕愛）或近距離目標(biāo)能反射強(qiáng)光而造成TIA飽和，。這些都是常見事件，而系統(tǒng)恢復(fù)的速度（以盡量減少致盲時(shí)間）對(duì)于安全性至關(guān)重要。

圖1.蛛網(wǎng)圖，比較視覺、雷達(dá)和LIDAR。

系統(tǒng)的視場(chǎng)和角分辨率也會(huì)影響到檢測(cè)一個(gè)籃球的能力。發(fā)射和接收光學(xué)是決定視場(chǎng)的主要因素。角分辨率決定您能遠(yuǎn)距離檢測(cè)籃球大小的目標(biāo)并進(jìn)行分類，還是只能檢測(cè)目標(biāo)的存在。

對(duì)于LIDAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說，處理這些系統(tǒng)的功耗和散熱是不小的挑戰(zhàn)。當(dāng)然，降低信號(hào)鏈的功耗會(huì)相應(yīng)降低產(chǎn)生的熱量。組件在的性能隨溫度會(huì)出現(xiàn)大幅變化，其中更敏感的一些組件可能需要溫度補(bǔ)償。使用熱電控制器是一種不錯(cuò)的方法，可以高度準(zhǔn)確地對(duì)IC進(jìn)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(bǔ)償，以在LIDAR系統(tǒng)的工作溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的工作波長和效率。

在某些情況下，對(duì)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(fù)壓）。高效生成這些電壓，且使用盡可能少的組件，是最佳設(shè)計(jì)實(shí)踐所追求的。要提供準(zhǔn)確的基準(zhǔn)電壓源，需要使用精密數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)生成偏置點(diǎn)、電流和電壓。沿著傳統(tǒng)的1.8 V至12 V電壓域，LIDAR系統(tǒng)對(duì)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(shí)。選擇具備關(guān)斷或低功率模式的IC和電源也非常重要，這樣的系統(tǒng)可以靈活高能效地輪詢多個(gè)通道。

集成LIDAR傳感器的IMU具備多種優(yōu)勢(shì)。IMU傳感器智能地融合多軸陀螺儀和加速度計(jì)，為除震和導(dǎo)航應(yīng)用提供可靠的位置和運(yùn)動(dòng)識(shí)別。即使在復(fù)雜的操作環(huán)境下，面臨極限運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)問題時(shí)，精密微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS) IMU也能提供所需的精度。

IMU為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)提供航位推測(cè)、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(shí)，上述功能又能為系統(tǒng)提供可靠的數(shù)據(jù)。IMU能夠有效利用高更新速率（每秒數(shù)千個(gè)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(shí)間為系統(tǒng)提供關(guān)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(cè)、分析和糾正車輛運(yùn)行環(huán)境中常見的振動(dòng)。例如，IMU輸出可輔助拼接LIDAR點(diǎn)云，否則，這些點(diǎn)云會(huì)因?yàn)檐囕v越過路面坑洼而出現(xiàn)偏離。此外，還可以使用IMU檢測(cè)旋轉(zhuǎn)式LIDAR系統(tǒng)的軸承磨損，以在實(shí)際出現(xiàn)故障之前維修LIDAR，提高安全性。

圖2.自動(dòng)駕駛汽車的LIDAR感知。

結(jié)論

在最初產(chǎn)品定義期間，需要考慮LIDAR系統(tǒng)的復(fù)雜性，以確定可接受的SNR、檢測(cè)要求、視野、散熱限制以及功耗。了解哪些組件是各個(gè)問題的主要貢獻(xiàn)因素，同時(shí)謹(jǐn)慎選擇IC，可以大大提高設(shè)計(jì)的成功幾率。

圖3.LIDAR電氣架構(gòu)。

作者簡介

Sarven Ipek于2006年加入ADI公司。在ADI公司任職期間，Sarven在故障分析、設(shè)計(jì)、特性表征、產(chǎn)品工程、項(xiàng)目管理和程序管理方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。Sarven目前是ADI公司麻薩諸塞州威明頓市自動(dòng)駕駛和安全產(chǎn)品部門LIDAR部的營銷經(jīng)理。

他擁有東北大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程學(xué)士學(xué)位以及電氣工程碩士學(xué)位，主修通信系統(tǒng)和信號(hào)處理。