引言

激光雷達 (LIDAR)是指光探測與測距技術，有時亦稱為飛行時間 (ToF) 或激光掃描儀，是一種探測物體并測量其距離的檢測方式。這一技術的工作原理是使用光脈沖照射某個目標，然后測量反射返回信號的特性。光脈沖寬度在數納秒到數微秒間不等。

圖 1 所示為激光雷達的基本原理，即以特定模式發射光信號，然后根據接收端收集的反射信號提取信息。用于從光信號提取信息的常見參數包括脈沖功率、往返時間、相移和脈寬。

圖 1：基于脈沖飛行時間的激光雷達系統

為什么選擇光信號？與雷達、超聲波傳感器或攝像頭等其他現有技術相比，激光雷達有什么特殊之處？是什么讓激光雷達廣受推崇？遠距離激光雷達將成為自動駕駛應用的重要傳感器，本白皮書將探討與之相關的各類問題。除自動駕駛車輛外，激光雷達也應用于3D 航空和地理測繪、工廠安全系統、靈巧彈藥和氣體分析。

自動駕駛汽車的檢測和成像

制造商正在為現代汽車配備各種各樣的高級控制和感應功能。碰撞警告和防撞系統、盲點監控、車道保持輔助、車道偏離警告和自適應巡航控制系統，可協助駕駛員并實現某些駕駛操作的自動化，從而提供更安全、更輕松的駕駛體驗。

激光雷達、雷達、超聲波傳感器和攝像頭都有各自的優缺點。高度或完全自動駕駛的車輛通常使用多種傳感器技術，在各種天氣和照明條件下提供車輛四周的遠距離和近距離準確地圖。除了利用多種技術取長補短，保持足夠的重疊對提高冗余和安全性也至關重要。傳感器融合是利用多種傳感器技術生成汽車周圍環境的精確可靠地圖。

超聲波在空氣中傳播幾米后會大幅衰減，因此，超聲波傳感器主要用于短距離物體檢測。

攝像頭是隨處可見、具有成本效益的傳感器，但是需要經過大量處理工作才能提取有用信息，而且它在很大程度上依賴環境光條件。攝像頭的獨特之處在于，它們是唯一能“識別顏色”的技術。因此，汽車使用攝像頭可實現車道保持輔助功能。

激光雷達和成像雷達具有各種常見的互補功能，如提供周圍環境地圖和測量物體速率。我們從幾個類別對這兩種技術進行對比：

距離：激光雷達和成像雷達系統能檢測幾米到 200m 以上距離范圍內的物體。成像雷達無法檢測近距離物體。雷達可以檢測 1m 以內到 200m以外的物體，具體取決于系統類型：短距離、中距離或遠距離雷達。

空間分辨率：這才是激光雷達的關鍵所在。憑借其激光準直功能和短波長（905nm 至 1,550nm）特性，激光雷達可實現約 0.1 度的紅外 (IR) 光空間分辨率。因此，即使不進行大量的后端處理，也能對場景中的物體進行高分辨率的 3D 特征描述。另一方面，由于波長（77GHz，4mm）限制，雷達在遠距離解析細微特征方面存在困難。

視場 (FOV)：固態激光雷達和雷達均具有出色的水平 FOV（方位角），而機械式激光雷達系統通過 360° 旋轉，在所有高級駕駛輔助系統 (ADAS) 技術中具有超寬的 FOV。一直以來，激光雷達具有比一般雷達更廣的垂直 FOV（仰角）。激光雷達可提供角分辨率（方位角和仰角視角），這是優化物體分類所需的一個主要特性。

天氣條件：雷達系統最大的優勢之一是其在雨、霧和雪等天氣中的可靠性。而激光雷達的性能在上述天氣條件下一般會有所下降。借助 1,550nm 的紅外波長，激光雷達可在惡劣天氣條件下實現更優的性能。

環境光：激光雷達和攝像頭均易受環境光條件的影響。然而在夜間，激光雷達和成像雷達系統能展現出極高的性能，因為它們都自帶照明。雷達和調制激光雷達技術均不受其他傳感器的干擾。

成本和尺寸：雷達系統近年來已成為主流，尺寸高度緊湊，價格也很實惠。隨著激光雷達的普及，其成本陡降，從約 50,000 美元降至 10,000 美元以下。由于集成度更高，系統尺寸和成本得以降低，雷達在現代汽車中的主流應用已成為可能。幾年以前，機械掃描激光雷達系統體積龐大，通常安裝在各種自動駕駛出租車上；隨著這些年技術的進步，激光雷達變得不再臃腫。向固態激光雷達的轉變將進一步縮減系統尺寸和降低成本。

激光雷達類型

現有的激光雷達系統種類多樣，本文將重點介紹其中的窄脈沖 ToF測量方法。激光雷達系統中有兩種波束控制類型：

機械式激光雷達利用高級的光學器件和旋轉部件，提供寬（通常是 360 度）FOV。其機械特性可在寬 FOV 范圍內提供高信噪比 (SNR)，但會造成尺寸偏大（盡管尺寸已經有所縮減）。

固態激光雷達沒有旋轉機械組件，且 FOV 偏小，因此成本較低。通過位于汽車前后和側面的多個通道以及融合多通道數據，可產生優于機械式激光雷達的 FOV。

固態激光雷達具有多種實現方式，包括：

微機電系統 (MEMS) 激光雷達：MEMS 激光雷達系統利用傾斜角隨激勵（如電壓）不同而變化的微鏡。實際上，MEMS 利用機電等效件替代了機械掃描硬件。用于確定接收 SNR 的 MEMS 接收器收光孔徑通常很小（毫米級）。要在多個維度移動激光束，需要級聯多個微鏡。這一校準過程非常重要，而且安裝后易受車輛行駛中沖擊和振動的影響。MEMS 系統的另一個隱患是，讓 MEMS 器件承受低至 -40°C 的溫度很具挑戰性。

閃光激光雷達：閃光激光雷達的工作原理與使用光學閃存的標準數字攝像頭非常相似。在閃光激光雷達中，一個大面積激光脈沖照射前方環境，而與其靠近的焦平面陣列光電探測器收集反向反射光。探測器采集圖像距離、位置和反射強度。與機械激光掃描法相比，這種方法能采集單個圖像中的整個場景，因此，數據采集率更快。除此之外，由于單次閃光可捕獲整個圖像，這種方法不會受振動影響而損壞圖像。其不足之處在于實際環境中反光體的存在。反光體會反射大部分光信號，而反向反射很少，會對整個傳感器產生盲區，可用性降低。這種方法的另一個缺點是，要照射整個場景和確保視野足夠遠，需要很高的峰值激光功率。為了符合眼部安全要求，激光雷達主要用于中短距離檢測系統。

光學相控陣 (OPA)：OPA 工作原理與相控陣雷達類似。在OPA 系統中，光學相位調制器控制光穿過透鏡的速度。控制光速能實現對光波陣面形狀的控制，如圖 2 所示。頂部光束未發生延遲，而中間和底部光束延遲量遞增。該現象有效地“控制”激光光束指向不同方向。類似方法也可用于控制朝向傳感器的反向散射光，因此無需使用機械運動部件。

圖 2：一個 OPA

調頻連續波 (FMCW) 激光雷達：雖然上述方法以使用窄光脈沖的 ToF 原理為基礎，但 FMCW 利用相干方法產生調頻激光的簡單線性調頻脈沖。通過測量返回線性調頻脈沖的相位和頻率，系統能依據多普勒原理測量出距離和速率。盡管生成線性調頻脈沖增加了難度，但 FMCW 方法簡化了負載和光學器件的計算過程。FMCW 系統所需的激光功率遠低于脈沖 ToF 系統所需的激光功率，因而 FMCW 適用于遠距離檢測應用，在霧天、雨雪等惡劣天氣條件下也表現良好。

激光雷達子系統

圖 3 展示了激光雷達的完整功能模塊子系統，包括信號鏈、電源、接口、時鐘和監控/診斷子系統。激光雷達信號鏈的主要子系統包括發射系統 (Tx)、接收系統 (Rx)和提取點云信息的自定義數字處理系統。TI 提供適用于青色顯示功能塊的器件。

圖 3：激光雷達模塊包括信號鏈、電源、接口、時鐘監控或診斷子系統

激光雷達系統集成

對于需要通過進一步集成實現高密度的系統，TI 為 Tx 路徑提供激光驅動器，并提供放大器來處理 Rx 路徑中從光電探測器直接到模數轉換器 (ADC) 或時數轉換器 (TDC) 的連接。LMG1025是一款分立式激光驅動器，可驅動能夠產生 1.25nS 脈沖的外部氮化鎵場效應晶體管 (FET)。TI 的集成式LMH13000激光驅動器無需外部 FET，可利用高達5A 的 50mA 可調電流驅動激光，產生 <1ns 的脈沖。此外，LMH13000?的尺寸大約是分立式激光驅動器解決方案的四分之一。并聯使用多個 LMH13000 器件可增加進入激光器的電流量。

TI 的接收路徑放大器包括適用于基于 ADC 的系統的LMH32401和LMH32404，以及適用于基于 TDC 的系統的LMH34400。這些器件集成了高速互阻抗放大器 (TIA)補償網絡，并具有環境光消除、輸入過流鉗位保護和多路復用器模式等特性，因此非常適合激光雷達應用。

環境光消除電路通過消除直流環境光信號來更好地檢測輸入電流，并且可以取代光電二極管和放大器之間的交流耦合，因而可節省布板空間。當放大器檢測到其節點進入飽和狀態時，輸入過流保護鉗位會吸收多余的電流并將多余的電流轉移到正電源，從而使放大器更快地恢復到線性狀態并將脈沖擴展限制在幾納秒以內。集成式激光雷達 TIA 具有集成的輸出開關，允許將多個光電二極管和放大器通道連接到更少的 ADC 和 TDC 通道，因此無需使用分立式多路復用器。這樣便可以使用多個傳感器，同時節省通常由多個 ADC 和 TDC 通道占用的布板空間。

結語

全球的自動駕駛汽車商業化即將踏上激動人心的征程，驅動這一領域發展的技術和架構也在不斷變化。激光雷達才在業內嶄露頭角，但這項技術憑借自身的優勢正在快速創新。與較為成熟的傳感器系統相比，激光雷達擁有更高的性能、更緊湊的體積，同時成本也與之相當。