【導讀】成功的自動駕駛汽車必定將使用緊密集成的傳感器係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(shuang)耳(er)，以(yi)及(ji)車(che)輛(liang)運(yun)動(dong)給(gei)人(ren)的(de)反(fan)饋(kui)來(lai)駕(jia)駛(shi)汽(qi)車(che)。我(wo)們(men)的(de)大(da)腦(nao)會(hui)實(shi)時(shi)處(chu)理(li)所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)信(xin)息(xi)
，並(bing)從(cong)人(ren)腦(nao)的(de)駕(jia)駛(shi)經(jing)驗(yan)數(shu)據(ju)庫(ku)中(zhong)直(zhi)覺(jiao)反(fan)應(ying)。複(fu)現(xian)人(ren)類(lei)駕(jia)駛(shi)能(neng)力(li)所(suo)需(xu)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)包(bao)括(kuo)雷(lei)達(da)
、激光雷達(LIDAR)、攝像頭、慣性測量單元(IMU)，以(yi)及(ji)超(chao)聲(sheng)波(bo)傳(chuan)感(gan)器(qi)。每(mei)種(zhong)係(xi)統(tong)都(dou)有(you)其(qi)優(you)勢(shi)，也(ye)有(you)其(qi)缺(que)點(dian)。單(dan)一(yi)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)精(jing)度(du)和(he)性(xing)性(xing)能(neng)不(bu)足(zu)以(yi)取(qu)代(dai)所(suo)有(you)其(qi)他(ta)傳(chuan)感(gan)器(qi)相(xiang)輔(fu)相(xiang)成(cheng)的(de)多(duo)傳(chuan)感(gan)器(qi)融(rong)合(he)是(shi)大(da)趨(qu)勢(shi)。

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。

圖3. LIDAR電氣架構。

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。

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(dui)IC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

，是優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
，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

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