應用于ADAS和汽車傳感的相干激光雷達設計方案

　　激光雷達正迅速獲得ADAS和自動車輛傳感系統(tǒng)的關注和部署，但有不同的方法來實施該技術。本文解釋了這些方法和相干激光雷達探測的相對優(yōu)勢。

　　光探測和測距（lidar）在20世紀30年代首次被概念化，大約與無線電探測和測距（雷達）同時。然而，直到20世紀60年代激光的出現(xiàn)，這種技術才得以展示。在隨后的幾年里，光通信的發(fā)展導致了激光和光調制技術的重大進步。

　　2008年，第一個商用激光雷達系統(tǒng)，最初被稱為“光學雷達”，首次出現(xiàn)在沃爾沃的乘用車上。這項突破性的技術為首批自動緊急制動（AEB）系統(tǒng)之一提供了動力，允許車輛自動制動以防止或減輕追尾事故。

　　繼15年前的早期引入（隨后被雷達取代，成為AEB更便宜的替代品）之后，高分辨率激光雷達迅速發(fā)展成為自動駕駛汽車計劃的關鍵高分辨率傳感器，并培育了多家創(chuàng)新、資金雄厚的初創(chuàng)公司。該技術提供了擴展的范圍、卓越的分辨率和車輛周圍環(huán)境的實時3D可視化，現(xiàn)已成熟，不僅成為自動駕駛的重要傳感器形式，也是乘用車和商用車隊高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的補充。

　　激光雷達傳感器發(fā)射紅外光譜中的光子，以檢測和創(chuàng)建周圍環(huán)境的3D圖像。事實證明，它們在汽車應用中非常受歡迎。與雷達相比，激光雷達的主要優(yōu)勢在于使用的光波長非常短，這使得可以進行精確的測量。此外，與相機相比，激光雷達可以在任何照明條件下工作，并具有更好的探測范圍。激光雷達傳感器數(shù)據(jù)捕捉可視為“點云”（見圖1）。

　　在開發(fā)激光雷達系統(tǒng)時，有許多事情需要考慮，例如使用什么波長、掃描方法以及如何處理干擾。然而，最大的系統(tǒng)決策是如何最好地檢測返回的光子。有兩個主要的競爭者，即直接檢測與相干檢測。

　　直接檢測

　　在直接檢測系統(tǒng)中，發(fā)射激光脈沖有效地啟動計時器。當接收到激光脈沖的回波時，它停止，并根據(jù)經過的時間計算距離。參見圖2。

圖2：由于光速（c）不變，到目標的距離為δTC/2，其中t是光子傳輸開始和光子接收前沿之間的時間。

　　對于高達約50米的距離，不需要高質量的可調諧單模激光器（因為它只是壓縮到短時間內的大量光子的源）或調制，這簡化了驅動器電路。也不需要精密光學器件來補償波前畸變。

　　為什么是短程？隨著照射面積隨著距離的增加，返回功率減少（距離的平方）。注：其公式為：返回功率約等于發(fā)射功率x（目標面積/照射面積）x（接收面積/ （π x范圍2））。 這種損失無法避免，因此最簡單的解決方案是發(fā)射更多的功率或提高接收器靈敏度。

　　然而，可以使用的激光能量是有限的。強烈的近紅外（IR）光（800到1400ηm）會損害人類的視力。在ADAS或自動駕駛汽車應用中，簡單地增加近紅外光的發(fā)射功率會對其他道路使用者和行人造成危險。

　　至于提高接收器靈敏度，可以使用更大面積的接收透鏡來增加光子收集。此外，可以使用雪崩光電二極管（APD，具有固有增益的光電二極管），盡管它們往往價格昂貴、易碎且體積?。ㄟ@進一步使系統(tǒng)光學器件復雜化），并且在自生噪聲成為問題之前僅提供約15倍的增益。其他傳感器類型，如蓋革模式雪崩光電探測器（GMAPDs）和單光子雪崩探測器（SPADs）在直接探測激光雷達系統(tǒng)中提供了更好的靈敏度，但在下雪、多塵或多霧的環(huán)境中工作不佳。

　　此外，所有檢測系統(tǒng)都需要某種形式的抗干擾措施。無論是雷達還是激光雷達，系統(tǒng)都需要知道他們的接收器接收到的信號（無論是脈沖無線電波還是光子）來自他們的發(fā)射器。干擾問題出現(xiàn)在早期的脈沖汽車雷達中。一旦許多汽車配備了雷達，相互干擾就成了問題。最流行的解決方案是切換到相干檢測技術，主要是雷達系統(tǒng)的調頻連續(xù)波（FMCW–見下文）。

　　直接探測激光雷達的另一個限制是，它不能直接測量每一點的速度，而是必須通過確定距離如何隨時間變化（即比較多個后續(xù)幀）來計算速度，這可能會影響系統(tǒng)的響應能力。

　　相干檢測和FMCW

　　這包括將入射光與透射光的樣本混合，這樣做有兩個主要好處。首先，通過光子增益的無噪聲放大可以經由相長干涉（即，接收信號乘以發(fā)射信號）來實現(xiàn)，使得系統(tǒng)能夠利用非常低功率的激光器來實現(xiàn)出色的靈敏度。第二，混合發(fā)射和接收信號使得激光雷達系統(tǒng)非常具有選擇性，因為波長不完全相同的光（例如陽光或來自相鄰激光雷達系統(tǒng)的光）被簡單地忽略。

　　實現(xiàn)相干探測激光雷達系統(tǒng)有不同的方法，但最常用的是調頻連續(xù)波（FMCW）調制。圖3顯示了一個簡化的例子。

圖3：激光器工作在1550ηm左右，并由幾百MHz進行調制（例如，從1550.002到1550ηm）。發(fā)射信號（和反射信號）約為200赫茲。在光混合之后，光電二極管呈現(xiàn)兩個信號的和與差。光電二極管帶寬有限，對約400THz和無響應，只能檢測幾百MHz的差分信號。

　　實際上，激光在頻率上上下掃描，產生一個鋸齒輪廓（頻率對時間），由此可以導出距離和速度；關于后者，想想多普勒效應。圖4顯示了光學元件的更詳細的概述。

圖4:FMCW激光雷達系統(tǒng)的主要光學元件。

　　雖然比直接探測系統(tǒng)更復雜，但FMCW激光雷達的好處很多。例如，如上所述，返回信號乘以從發(fā)射源（本振，圖4中的LO）獲取的樣本。由于激光雷達的路徑損耗很高，即使LO的百分之幾也會比返回信號大得多。信號放大量非常高，但僅針對完全相同波長的信號，這導致高光子效率。

　　例如，具有大約300米范圍的FMCW激光雷達系統(tǒng)可以用小于200mW的激光功率來實現(xiàn)。類似的直接檢測系統(tǒng)在相同范圍內需要1000倍的峰值功率。應該注意的是，F(xiàn)MCW是其他部門激光雷達的核心；例如，光學測高儀器的測量范圍可達幾千米，激光多普勒激光雷達儀器的測量范圍可超過500米。

　　相干激光雷達的另一個好處是信號鏈的帶寬相當?shù)?。如果我們考慮圖3中的波長（激光掃描范圍為1550.002至1550ηm），光電二極管帶寬可以限制在幾百MHz。為了分辨接收脈沖的前沿，直接檢測系統(tǒng)需要盡可能寬的帶寬（通常超過2GHz）。

　　可以理解的是，較窄的帶寬允許在光電二極管處使用較低噪聲的跨阻抗放大器和較慢的模數(shù)轉換器。

　　最后，相干檢測提供每一點的速度信息。每點速度的好處在于，它是后續(xù)感知系統(tǒng)在解釋激光雷達（和其他傳感器）數(shù)據(jù)時可以使用的附加上下文度量，潛在地使得能夠做出更明智的決策。

　　因此，相干探測的各種好處是顯著的，但是相干激光雷達并非沒有挑戰(zhàn)。

　　激光器必須能夠在足夠長的時間內保持其相位完整性，以使其光能夠到達最遠的目標并從該目標返回。如果激光的相位在傳輸時間內變化很大，相干性可能會丟失，并且可能導致距離測量模糊。此外，它必須是調頻的（在FMCW的情況下）。大多數(shù)二極管激光器不能勝任這一任務，但是一些半導體可調諧激光器已經出現(xiàn)在商業(yè)市場上。

　　此外，不是每個掃描機制都與相干檢測兼容。接收器需要觀察每個光點足夠長的時間，以允許光到達盡可能遠的目標并從該目標返回，因為返回信號需要與發(fā)射信號混合。例如，300米的范圍要求掃描機構保持靜止至少2秒，但是許多連續(xù)移動的掃描機構不能做到這一點。

　　最后，必須指出的是，相干激光雷達的信號處理任務明顯大于直接探測。幸運的是，半導體制造商已經推出了高性能的片上系統(tǒng)（SoC）產品，將數(shù)據(jù)轉換器、微控制器和DSP與FFT加速器相集成，以滿足這些信號處理需求：indie Semiconductor的iND83301 Surya lidar SoC就是這樣一個例子。

審核編輯：黃飛