幾年后，你可能會(huì)召喚一輛自動(dòng)駕駛汽車(chē)來(lái)接你，開(kāi)車(chē)送你去上班。當(dāng)您在旅途中趕上電子郵件或小睡時(shí)，您相信汽車(chē)的傳感器和攝像頭會(huì)安全準(zhǔn)確地引導(dǎo)它到達(dá)目的地。

為了有效，自動(dòng)駕駛汽車(chē)的能力必須超過(guò)人類(lèi)駕駛員的能力。這怎么可能？這些車(chē)輛如何在光線(xiàn)、黑暗、惡劣天氣條件下，以及在黑暗和惡劣的天氣中進(jìn)一步突破極限？建立可靠的自動(dòng)駕駛能力需要設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)合各種傳感器和計(jì)算的檢測(cè)系統(tǒng)......一個(gè)比人類(lèi)更能“看到”車(chē)輛環(huán)境的系統(tǒng)。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)多樣性的關(guān)鍵在于不同的傳感器類(lèi)型、冗余和重疊傳感器，以提高汽車(chē)的視覺(jué)精度。主要的自動(dòng)駕駛汽車(chē)傳感器是攝像頭、雷達(dá)和 LiDAR（光成像、檢測(cè)和測(cè)距）。通過(guò)技術(shù)融合電子設(shè)備，這些不同的傳感器協(xié)同工作，通過(guò)檢測(cè)視野中物體的形狀、速度和距離，為汽車(chē)提供視覺(jué)的周?chē)貓D。單個(gè)傳感器的技術(shù)融合大于每個(gè)傳感器的總和。

圖1.自動(dòng)駕駛汽車(chē)需要許多套“眼睛”，由攝像頭、雷達(dá)和LiDAR傳感器提供。

在圖 1 中，攝像頭（藍(lán)色）通過(guò)“看到”所有彩色攝像頭，給人類(lèi)居住者一種自信的感覺(jué)。輸入攝像頭數(shù)據(jù)通過(guò)提供無(wú)與倫比的視覺(jué)細(xì)節(jié)來(lái)添加到自動(dòng)駕駛汽車(chē)的地圖中。雷達(dá)信號(hào)在惡劣天氣下有效運(yùn)行，增加了人類(lèi)可能無(wú)法提供的維度。LiDAR 在短時(shí)間內(nèi)使用光線(xiàn)并“看起來(lái)”并乘以反射。將所有三個(gè)數(shù)據(jù)輸出結(jié)果與板載處理器相結(jié)合。

相機(jī)會(huì)說(shuō)謊嗎？

相機(jī)創(chuàng)建世界的視覺(jué)表示。自動(dòng)駕駛汽車(chē)依靠前、后、左和右的攝像頭，因此可以實(shí)現(xiàn) 360 度視圖。一些相機(jī)具有較短距離的寬視野（120度）。其他人則專(zhuān)注于狹窄的視野，提供遠(yuǎn)程視覺(jué)效果。有些汽車(chē)有魚(yú)眼攝像頭，提供全景，可以全面了解車(chē)輛后面的情況。

雖然相機(jī)提供準(zhǔn)確的視覺(jué)效果，但它們有其局限性。它們區(qū)分周?chē)h(huán)境的細(xì)節(jié);但是，距離確定需要兩個(gè)維度才能開(kāi)始計(jì)算確切位置。我想每輛車(chē)可以有兩個(gè)攝像頭，就像兩只眼睛一樣，專(zhuān)注于人類(lèi)感興趣的項(xiàng)目，但這可能是多余的和無(wú)效的，因?yàn)槲覀儗樽詣?dòng)駕駛汽車(chē)的技術(shù)融合處理添加其他傳感器。另一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)是，基于攝像頭的傳感器很難在低能見(jiàn)度條件下檢測(cè)物體，例如雨、霧或夜間。

雷達(dá)測(cè)繪

雷達(dá)傳感器是對(duì)低能見(jiàn)度攝像機(jī)的補(bǔ)充。雷達(dá)從一開(kāi)始就存在于飛機(jī)、氣象編隊(duì)和探測(cè)船只中。該技術(shù)以脈沖形式傳輸無(wú)線(xiàn)電波。一旦波浪擊中物體，它們就會(huì)反彈并返回接收器。這提供了速度和位置對(duì)象數(shù)據(jù)。

雷達(dá)傳感器也環(huán)繞著汽車(chē)，從各個(gè)角度檢測(cè)物體。雖然這種傳感器技術(shù)決定了速度和距離，但它無(wú)法區(qū)分不同的車(chē)輛類(lèi)型。雷達(dá)和攝像頭傳感器共同提供的數(shù)據(jù)足以滿(mǎn)足較低級(jí)別的自主性，但它們不能涵蓋所有情況，也無(wú)法滿(mǎn)足人類(lèi)的體驗(yàn)。這就是我們需要激光雷達(dá)的原因。

使用激光雷達(dá)傳感器對(duì)焦

LiDAR 是執(zhí)行自動(dòng)駕駛汽車(chē)距離傳感的關(guān)鍵光學(xué)技術(shù)。LiDAR 傳感器有助于完成畫(huà)面。汽車(chē)應(yīng)用的LiDAR性能高度依賴(lài)于光前端以及信號(hào)通過(guò)信號(hào)鏈傳輸然后處理的方式。

LiDAR 傳感器通過(guò)脈沖激光和計(jì)算返回信號(hào)的時(shí)間來(lái)測(cè)量距離。LiDAR 為自動(dòng)駕駛汽車(chē)提供 3D 視圖。返回信號(hào)為周?chē)钠?chē)和行人提供形狀和深度。激光雷達(dá)與雷達(dá)一樣，在弱光條件下工作。

為什么跨阻放大器對(duì)LiDAR至關(guān)重要

在LiDAR應(yīng)用中，跨阻放大器（TIA）具有獨(dú)特的帶寬和噪聲規(guī)格，是信號(hào)鏈的核心，能夠精確檢測(cè)固定或移動(dòng)物體。有效的TIA必須具有足夠?qū)挼膸?，以捕獲不同路況下的所有細(xì)節(jié)，噪聲必須盡可能低，以避免使接收到的信號(hào)失真。

Maxim具有跨阻放大器（TIA1），當(dāng)與雪崩光電二極管配合使用時(shí)，可以感測(cè)回光。信號(hào)通過(guò)比較器（COMP1）進(jìn)一步調(diào)理。如圖2所示，TIA2和COMP2提供了初始激光傳輸時(shí)間，該圖描述了車(chē)輛的激光/接收器系統(tǒng)。該系統(tǒng)由多個(gè)光電二極管、一個(gè)激光二極管和支持電子設(shè)備組成，用于發(fā)送和接收光信號(hào)。

圖2.帶有TIA和COMP光接收器系統(tǒng)的LiDAR系統(tǒng)。

在圖2中，激光驅(qū)動(dòng)器啟動(dòng)向物體發(fā)射激光脈沖。激光傳播到玻璃板上，玻璃板將激光信號(hào)反射回MCU，以確定初始傳輸時(shí)間并傳遞到發(fā)射器光學(xué)器件（指定透鏡）。發(fā)射的脈沖到達(dá)物體并反射到D1、TIA1 接收器系統(tǒng)。一旦通過(guò)接收器光學(xué)器件和鏡面反射，光線(xiàn)就會(huì)撞擊InGaAs光電二極管（D1），一種高靈敏度半導(dǎo)體電子器件，光學(xué)靈敏度帶寬為1310nm至1550nm。

D上即將來(lái)臨的曙光1可能明亮或昏暗，具體取決于行駛的距離。此外，大氣中可能存在污染物，為了混淆系統(tǒng)，可能存在干擾幻影燈。該 D圖2將光轉(zhuǎn)換為安培電流（ID1），在跨阻放大器 #2 （TIA1） 上移動(dòng)。

TIA（MAX40660或MAX40661）和COMP（MAX40025或MAX40026）是LiDAR信號(hào)接收器電路的組成部分。MAX40660和MAX40661為T(mén)IA，用于LiDAR應(yīng)用中的光測(cè)距接收器。

圖3.MAX40660/MAX40661跨阻放大器（TIA1和TIA2），用于汽車(chē)激光雷達(dá)。

低噪聲、高增益、低群延遲和從過(guò)載中快速恢復(fù)使這些 TIA 適合距離測(cè)量應(yīng)用。重要特性包括：2.38pA輸入?yún)⒖荚肼暶芏?、?nèi)部輸入箝位、引腳可選的25kΩ和50kΩ跨阻，MAX490具有40660MHz的寬帶寬，輸入電容為0.5pF，跨阻為25kΩ，MAX160具有40661pF輸入電容的帶寬為10MHz。

MAX40025和MAX40026為比較器（COMP），用于穩(wěn)定TIA光信號(hào)。這些器件是高速比較器，典型傳播延遲為280ps。

圖4.MAX40025/MAX40026高速比較器（COMP1和COMP2），用于汽車(chē)激光雷達(dá)。

MAX40025封裝采用1.218mm x 0.818mm、6焊球晶圓級(jí)封裝（WLP），MAX40026采用2mm x 2mm 8引腳TDFN側(cè)可潤(rùn)濕封裝，符合AEC-Q100汽車(chē)認(rèn)證要求。

總結(jié)

攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)系統(tǒng)的技術(shù)融合為自動(dòng)駕駛汽車(chē)創(chuàng)造了一個(gè)近乎人類(lèi)的視覺(jué)系統(tǒng)。盡管這三個(gè)傳感器提供不同的數(shù)據(jù)和信息，但自動(dòng)駕駛汽車(chē)的計(jì)算能力將這三個(gè)視角融合在一起。本文特別關(guān)注光學(xué)前端操作，展示了LiDAR在三者中的強(qiáng)大參與者。突出顯示的 LiDAR 就緒 TIA 和比較器提供了前所未有的系統(tǒng)精度水平。有了這種準(zhǔn)確性，人們應(yīng)該對(duì)自動(dòng)駕駛汽車(chē)的能力更有信心，這些汽車(chē)可能很快就會(huì)讓你的通勤更加高效或放松。

審核編輯：郭婷