自動(dòng)駕駛傳感器：LIDA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(lái)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(lái)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(kù)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)。

圖1．蛛網(wǎng)圖，比較視覺、雷達(dá)和LIDAR。

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(shuō)，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。

圖2．自動(dòng)駕駛汽車的LIDAR感知。

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(zhǎng)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(guò)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。