設(shè)計(jì)車(chē)載激光雷達(dá) 搞清這5點(diǎn)很重要！

設(shè)計(jì)一個(gè)TOF車(chē)載激光雷達(dá)系統(tǒng)，首先要確定系統(tǒng)需要探測(cè)的最小目標(biāo)、該目標(biāo)的反射率，以及該目標(biāo)的距離，視場(chǎng)角。上述這些因素會(huì)定義系統(tǒng)的角分辨率。并在該基礎(chǔ)上計(jì)算最小信噪比(SNR)，這也是后續(xù)軟件判定檢測(cè)對(duì)象真/假的重要檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

問(wèn)：車(chē)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)一個(gè)TOF車(chē)載激光雷達(dá)系統(tǒng)，首先要確定系統(tǒng)需要探測(cè)的最小目標(biāo)、該目標(biāo)的反射率，以及該目標(biāo)的距離，視場(chǎng)角。上述這些因素會(huì)定義系統(tǒng)的角分辨率。并在該基礎(chǔ)上計(jì)算最小信噪比(SNR)，這也是后續(xù)軟件判定檢測(cè)對(duì)象真/假的重要檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

檢測(cè)距離

我們以自動(dòng)駕駛汽車(chē)，防撞的應(yīng)用來(lái)舉例。最小目標(biāo)：小轎車(chē)4.8m×1.8 m長(zhǎng)。目標(biāo)的反射率：取決于物體本身的性質(zhì)（表面狀況）。這里不詳細(xì)討論，假設(shè)目標(biāo)可以很好的反射。

以汽車(chē)100公里/小時(shí)的速度來(lái)計(jì)算，不僅考慮以100 km/h速度行駛的車(chē)輛，還要考慮以相同速度反向行駛的另一輛車(chē)輛。因此，雷達(dá)系統(tǒng)需要能夠檢測(cè)到200公里/小時(shí)的物體，也就是每秒相對(duì)運(yùn)動(dòng)至少50m。

當(dāng)然，還要考慮，如非線性速度、停車(chē)距離、規(guī)避動(dòng)作等復(fù)雜情況。所以一般說(shuō)來(lái)，高速應(yīng)用需要激光雷達(dá)系統(tǒng)檢測(cè)更遠(yuǎn)的距離。

視場(chǎng)角（FOV）

對(duì)于不同的應(yīng)用，不同的環(huán)境，視場(chǎng)角的選擇也不一樣。

圖 1. 自動(dòng)駕駛車(chē)輛和自動(dòng)地面車(chē)輛的對(duì)象檢測(cè)和防撞等應(yīng)用 (圖片來(lái)源于ADI)

如上圖：對(duì)于自動(dòng)駕駛車(chē)輛和自動(dòng)地面車(chē)輛的對(duì)象檢測(cè)和防撞等應(yīng)用，可以使用16像素FOV。在大客車(chē)應(yīng)用中，可以用4× 4網(wǎng)格矩陣，以檢測(cè)系統(tǒng)周?chē)奈矬w，作為車(chē)輛的安全器件。

從FOV到角度分辨率

確定FOV之后, 我們可以計(jì)算相應(yīng)的分辨率。

FOV可以分為垂直FOV（VFOV）和水平FOV（HFOV）

當(dāng)激光二極管陣列選定之后，比如下圖，一行16個(gè)激光二極管組成一個(gè)陣列，每個(gè)像素尺寸2mm×0.8mm， 20mm焦距的鏡頭。

圖 2. 激光二極管陣列 (圖片來(lái)源于ADI)

于是，可以利用三角函數(shù)可以計(jì)算每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的VFOV與HFOV

圖 3.  VFOV 與 HFOV 計(jì)算 (圖片來(lái)源于ADI)

因此，根據(jù)三角函數(shù)我們可以得出每個(gè)像素，VFOV=5.7°，HFOV=2.292°

有了VFOV/HFOV, 我們就可以得知在某一特定距離，實(shí)物尺寸與相素的關(guān)系。

角度分辨率

換一個(gè)場(chǎng)景，假設(shè)FOV=1°，即1°角度分辨率，在200 m距離時(shí)，

一個(gè)像素點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于2×Tan（0.5°）×200m=3.5m長(zhǎng)的物體。

即1°角分辨率會(huì)轉(zhuǎn)換成每側(cè)3.5米像素。

對(duì)于4.8m×1.8 m小轎車(chē)來(lái)說(shuō)，很難檢測(cè)。

相比FOV=0.1°，即0.1°角度分辨率，在200 m距離時(shí)，

一個(gè)像素點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于2×Tan（0.05°）×200m = 0.35m長(zhǎng)的物體。

對(duì)于一個(gè)4.8m×1.8 m長(zhǎng)的小轎車(chē)，在200 m距離時(shí)，至少可以有5個(gè)像素寬度的成像。

精細(xì)的角度分辨率使車(chē)載雷達(dá)系統(tǒng)能夠從單一對(duì)象接收多個(gè)像素的返回信號(hào)。因此，在這個(gè)系統(tǒng)下，甚至有可能區(qū)分汽車(chē)和摩托車(chē)。

距離精度與最小信噪比（SNR）

距離（或深度）、精度都與ADC采樣速率相關(guān)。距離精度允許系統(tǒng)準(zhǔn)確地知道一個(gè)物體有多遠(yuǎn)。對(duì)于移動(dòng)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，非常重要。

假設(shè)ADC采樣周期Δt 為1 ns采樣時(shí)段, 我們可以計(jì)算距離

d=（c×Δt）/2 = 15cm      

c是光速

即使用1 GSPS ADC的距離精度可達(dá)到15 cm。

當(dāng)然可以采用更復(fù)雜的技術(shù)（例如過(guò)采樣插值）來(lái)改善范圍測(cè)量精度。

據(jù)估計(jì)，大約可以將范圍測(cè)量精度提升SNR的平方根。匹配濾波器是用于處理數(shù)據(jù)的性能最高的算法之一，它可以在插入之后最大化SNR，以得出最高的范圍測(cè)量精度。

激光雷達(dá)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

以ADI的方案為例：

圖 4. ADI 激光雷達(dá)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) (圖片來(lái)源于ADI)