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，這對於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，可以識別對象並對其進行分類。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於該對象的具體信息。

 

圖2.自動駕駛汽車的LIDAR感知。

 

設計LIDAR係統時會麵臨一些技術挑戰
，主要挑戰之一就是近紅外波長要保持在人眼安全限值之下。關於這些安全指南

，請參考IEC 60825-1。這並不是要降低人眼安全的重要性


，本文探討的所有方麵最終都會影響人眼安全。目前存在多種不同的LIDAR係統技術
，設計複雜程度各不相同，各有其優點和缺點。

 

重要的是
，所有設計需要關注的基礎方麵都相同。再此我們著重討論人眼安全以外影響係統設計的其他方麵
，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

，會發現係統的信噪比(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於ADC的噪底或印刷電路板(PCB)噪聲，係統精度就會受限。采用直接飛行時間(ToF)法要求係統可以輸出短脈衝（~1 ns至5 ns），且使用高采樣速率ADC檢測這些脈衝。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)的整個輸出範圍

，不能對信號實施削波。

 

係統需要檢測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衝。因為係統需要處理的對象的距離、反射率和尺寸範圍甚廣，所以TIA必須能夠在飽和後中快速恢複。高反射（比如交通標誌怕愛）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
，而係統恢複的速度（以盡量減少致盲時間）對於安全性至關重要。

 

圖3.LIDAR電氣架構。

 

係xi統tong的de視shi場chang和he角jiao分fen辨bian率lv也ye會hui影ying響xiang到dao檢jian測ce一yi個ge籃lan球qiu的de能neng力li。發fa射she和he接jie收shou光guang學xue是shi決jue定ding視shi場chang的de主zhu要yao因yin素su。角jiao分fen辨bian率lv決jue定ding您nin能neng遠yuan距ju離li檢jian測ce籃lan球qiu大da小xiao的de目mu標biao並bing進jin行xing分fen類lei，還hai是shi隻zhi能neng檢jian測ce目mu標biao的de存cun在zai。

 

對於LIDAR係xi統tong設she計ji人ren員yuan來lai說shuo，處chu理li這zhe些xie係xi統tong的de功gong耗hao和he散san熱re是shi不bu小xiao的de挑tiao戰zhan。當dang然ran，降jiang低di信xin號hao鏈lian的de功gong耗hao會hui相xiang應ying降jiang低di產chan生sheng的de熱re量liang。組zu件jian在zai的de性xing能neng隨sui溫wen度du會hui出chu現xian大da幅fu變bian化hua
，其qi中zhong更geng敏min感gan的de一yi些xie組zu件jian可ke能neng需xu要yao溫wen度du補bu償chang。使shi用yong熱re電dian控kong製zhi器qi是shi一yi種zhong不bu錯cuo的de方fang法fa
，可ke以yi高gao度du準zhun確que地di對duiIC進行冷卻或加熱。如果追求精確的話
，發光和感光二極管都需要溫度補償，以在LIDAR係統的工作溫度範圍內保持穩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，是最佳設計實踐所追求的。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
，LIDARxitongduidianyadexuqiushiyousuozengjiade。xiaoxinxuanzedianyuanjiejuefangankeyichulizheyiwenti
，youqishijiejuefanganzhongewaitianjiayizhongdianyashi。xuanzejubeiguanduanhuodigonglvmoshideIC和電源也非常重要，這樣的係統可以靈活高能效地輪詢多個通道。

 

集成LIDAR傳感器的IMU具備多種優勢。IMU傳chuan感gan器qi智zhi能neng地di融rong合he多duo軸zhou陀tuo螺luo儀yi和he加jia速su度du計ji
，為wei除chu震zhen和he導dao航hang應ying用yong提ti供gong可ke靠kao的de位wei置zhi和he運yun動dong識shi別bie。即ji使shi在zai複fu雜za的de操cao作zuo環huan境jing下xia，麵mian臨lin極ji限xian運yun動dong動dong力li學xue問wen題ti時shi，精jing密mi微wei機ji電dian係xi統tong(MEMS) IMU也能提供所需的精度。

 

IMU為自動駕駛係統提供航位推測、定位和穩定功能。反過來，在ADAS或GPS性能下降
，或者不可用時，上述功能又能為係統提供可靠的數據。IMU能夠有效利用高更新速率（每秒數千個樣本）

，且可以不受外部環境變化幹擾。IMU越穩定，越能長時間為係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
，用於檢測
、分析和糾正車輛運行環境中常見的振動。例如，IMU輸出可輔助拚接LIDAR點雲，否則
，這些點雲會因為車輛越過路麵坑窪而出現偏離。此外，還可以使用IMU檢測旋轉式LIDAR係統的軸承磨損，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係統的複雜性，以確定可接受的SNR、檢測要求、視野、散熱限製以及功耗。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。

 

作者簡介

 

Sarven Ipek於2006年加入ADI公司。在ADI公司任職期間，Sarven在故障分析、設計
、特性表征、產品工程、項目管理和程序管理方麵積累了豐富的經驗。Sarven目前是ADI公司麻薩諸塞州威明頓市自動駕駛和安全產品部門LIDAR部的營銷經理。

 

他擁有東北大學電氣和計算機工程學士學位以及電氣工程碩士學位，主修通信係統和信號處理。

 

 

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