一輛成功的自動駕駛汽車將不得不使用緊密集成的傳感器系統來復制人類的駕駛能力。典型的人類駕駛員使用兩只眼睛、兩只耳朵和汽車的觸覺反饋來駕駛。他們的大腦實時處理所有這些信息，并參考他們龐大的駕駛經驗數據庫。復制人類駕駛所需的傳感器將包括雷達、激光雷達、攝像頭、慣性測量單元（IMU）和超聲波傳感器。這些系統中的每一個都有其優勢，但也有字面上的盲點。一個傳感器極不可能被如此精致，以至于不需要其他傳感器。在本文中，我們將探討LIDAR的頂層設計考慮因素，LIDAR是一種將為任何自動駕駛解決方案提供重要數據的傳感器。

圖1.比較視覺、雷達和激光雷達的蜘蛛圖。

激光雷達是自動駕駛汽車中雷達的密切合作伙伴。這兩種技術都在沒有可見光的情況下運行，這對于夜間駕駛或弱光條件至關重要。雷達適用于遠距離檢測和跟蹤，而激光雷達提供更高的角度分辨率，允許物體識別和分類。換句話說，雷達有利于檢測那里可能有東西，而一旦雷達找到它，激光雷達就可以告訴你更多關于它的信息。

在設計激光雷達系統時存在技術挑戰，顯而易見的是保持在近紅外波長的眼睛安全限制以下。IEC 60825-1 中概述了這些安全準則。這并不是要降低人眼安全的重要性——這里討論的方面都會影響人眼安全。有許多不同的激光雷達系統拓撲，具有不同程度的設計復雜性，各有優缺點。

從本質上講，所有設計都有需要注意的相同基本方面。讓我們關注影響系統設計的人眼安全以外的考慮因素，即：最大化SNR、檢測要求、視場、熱考慮因素、功耗和航位推算。

從接收路徑來看，系統的信噪比（SNR）會影響在長距離（100 m至300 m）檢測小物體的能力。ADC本底噪聲不能超過接收路徑中的其他噪聲源。如果背景光或信號散粒噪聲貢獻低于ADC的本底噪聲或印刷電路板（PCB）噪聲，則精度將受到限制。在直接檢測拓撲中執行飛行時間（To F）計算要求系統能夠輸出短脈沖（~1 ns至5 ns），并使用高采樣速率ADC進行檢測。1 GSPS的采樣速度可在接收信號路徑上實現這一點。此外，請記住，ADC有效位數（ENOB）必須允許跨阻放大器（TIA）提供完整的輸出范圍，而不會對信號進行削波。

圖3.激光雷達電氣架構。

系統是否需要檢測 100 米外的籃球？確定關注物體的反射率和大小以及距離會限制TIA的可接受SNR。ADC必須檢測的相同脈沖要求TIA具有檢測窄脈沖的帶寬。由于系統必須處理的距離、反射率和物體尺寸范圍如此之廣，TIA 必須能夠從飽和事件中恢復。飽和事件可能發生在高反射物體上，該物體返回高百分比的透射光，使放大器飽和（例如，像限速標志這樣的近距離物體）。這些事件很常見，系統恢復以提供準確信息的速度對于安全至關重要。

所需的視野和角度分辨率也會影響檢測籃球的能力。發射和接收光學器件是決定視場的主要貢獻因素。角度分辨率將決定您是否可以在更遠的距離檢測和分類籃球等物體，或者只是檢測物體是否存在。

處理這些系統所需的功率和可能產生的熱量給激光雷達系統設計人員帶來了重大挑戰。當然，降低信號鏈的功耗將降低解決方案產生的熱量。元件的性能隨溫度變化很大，信號鏈中一些更容易受影響的元件將需要溫度補償。熱電控制器是高精度冷卻或加熱IC的好方法。例如，激光二極管需要溫度補償，以在 LIDAR 系統的工作溫度范圍內保持波長和效率的運行。

在某些情況下，雪崩光電二極管和激光器的電壓偏置需要數百伏的正電壓或負電壓才能工作。以高效率和盡可能少的元件產生這些電壓是最佳設計實踐。需要精密數模轉換器（DAC）來產生偏置點、電流和電壓，以提供精確的基準輸入。除了1.8 V至12 V的傳統電壓域外，LIDAR系統對電壓電平的需求也在增加。仔細選擇電源解決方案是有回報的，尤其是當解決方案中增加了另一個電壓時。選擇具有關斷或低功耗模式的IC和電源也很重要，因為系統可以靈活地循環多個通道。

與激光雷達傳感器集成的 IMU 具有許多優勢。IMU 傳感器智能融合多軸陀螺儀和加速度計，為穩定和導航應用提供可靠的位置和運動識別。精密微機電系統 （MEMS） IMU 即使在復雜的操作環境中面對極端運動動態時也能提供所需的精度水平。IMU 提供具有航位推算、定位和穩定功能的自動駕駛系統。這反過來又在ADAS或GPS性能下降或不可用時向系統提供可信數據。IMU 受益于快速更新速率（每秒數千個樣本），并且不受外部環境變化的影響。IMU 越穩定，為系統提供關鍵見解的時間就越長。

IMU 可以直接集成到 LIDAR 模塊中，以檢測、分析和校正汽車環境中常見的振動。例如，IMU輸出可用于移動LIDAR點云，否則這些點云會因車輛在道路上的坑洼上行駛而未對齊。旋轉激光雷達系統上的軸承磨損也可以使用IMU檢測，這允許在現場發生故障之前對激光雷達進行維修。

結論

在初始產品定義期間，需要注意LIDAR系統的復雜性，以確定可接受的SNR、檢測要求、視場、熱限制和功耗。意識到哪些組件是每個組件的主要貢獻者，以及仔細的IC選擇，可以增加成功設計的機會。

審核編輯：郭婷