应用于ADAS和汽车传感的相干激光雷达设计方案

　　激光雷达正迅速获得ADAS和自动车辆传感系统的关注和部署，但有不同的方法来实施该技术。本文解释了这些方法和相干激光雷达探测的相对优势。

　　光探测和测距（lidar）在20世纪30年代首次被概念化，大约与无线电探测和测距（雷达）同时。然而，直到20世纪60年代激光的出现，这种技术才得以展示。在随后的几年里，光通信的发展导致了激光和光调制技术的重大进步。

　　2008年，第一个商用激光雷达系统，最初被称为“光学雷达”，首次出现在沃尔沃的乘用车上。这项突破性的技术为首批自动紧急制动（AEB）系统之一提供了动力，允许车辆自动制动以防止或减轻追尾事故。

　　继15年前的早期引入（随后被雷达取代，成为AEB更便宜的替代品）之后，高分辨率激光雷达迅速发展成为自动驾驶汽车计划的关键高分辨率传感器，并培育了多家创新、资金雄厚的初创公司。该技术提供了扩展的范围、卓越的分辨率和车辆周围环境的实时3D可视化，现已成熟，不仅成为自动驾驶的重要传感器形式，也是乘用车和商用车队高级驾驶辅助系统（ADAS）的补充。

　　激光雷达传感器发射红外光谱中的光子，以检测和创建周围环境的3D图像。事实证明，它们在汽车应用中非常受欢迎。与雷达相比，激光雷达的主要优势在于使用的光波长非常短，这使得可以进行精确的测量。此外，与相机相比，激光雷达可以在任何照明条件下工作，并具有更好的探测范围。激光雷达传感器数据捕捉可视为“点云”（见图1）。

　　在开发激光雷达系统时，有许多事情需要考虑，例如使用什么波长、扫描方法以及如何处理干扰。然而，最大的系统决策是如何最好地检测返回的光子。有两个主要的竞争者，即直接检测与相干检测。

　　直接检测

　　在直接检测系统中，发射激光脉冲有效地启动计时器。当接收到激光脉冲的回波时，它停止，并根据经过的时间计算距离。参见图2。

图2：由于光速（c）不变，到目标的距离为δTC/2，其中t是光子传输开始和光子接收前沿之间的时间。

　　对于高达约50米的距离，不需要高质量的可调谐单模激光器（因为它只是压缩到短时间内的大量光子的源）或调制，这简化了驱动器电路。也不需要精密光学器件来补偿波前畸变。

　　为什么是短程？随着照射面积随着距离的增加，返回功率减少（距离的平方）。注：其公式为：返回功率约等于发射功率x（目标面积/照射面积）x（接收面积/ （π x范围2））。 这种损失无法避免，因此最简单的解决方案是发射更多的功率或提高接收器灵敏度。

　　然而，可以使用的激光能量是有限的。强烈的近红外（IR）光（800到1400ηm）会损害人类的视力。在ADAS或自动驾驶汽车应用中，简单地增加近红外光的发射功率会对其他道路使用者和行人造成危险。

　　至于提高接收器灵敏度，可以使用更大面积的接收透镜来增加光子收集。此外，可以使用雪崩光电二极管（APD，具有固有增益的光电二极管），尽管它们往往价格昂贵、易碎且体积小（这进一步使系统光学器件复杂化），并且在自生噪声成为问题之前仅提供约15倍的增益。其他传感器类型，如盖革模式雪崩光电探测器（GMAPDs）和单光子雪崩探测器（SPADs）在直接探测激光雷达系统中提供了更好的灵敏度，但在下雪、多尘或多雾的环境中工作不佳。

　　此外，所有检测系统都需要某种形式的抗干扰措施。无论是雷达还是激光雷达，系统都需要知道他们的接收器接收到的信号（无论是脉冲无线电波还是光子）来自他们的发射器。干扰问题出现在早期的脉冲汽车雷达中。一旦许多汽车配备了雷达，相互干扰就成了问题。最流行的解决方案是切换到相干检测技术，主要是雷达系统的调频连续波（FMCW–见下文）。

　　直接探测激光雷达的另一个限制是，它不能直接测量每一点的速度，而是必须通过确定距离如何随时间变化（即比较多个后续帧）来计算速度，这可能会影响系统的响应能力。

　　相干检测和FMCW

　　这包括将入射光与透射光的样本混合，这样做有两个主要好处。首先，通过光子增益的无噪声放大可以经由相长干涉（即，接收信号乘以发射信号）来实现，使得系统能够利用非常低功率的激光器来实现出色的灵敏度。第二，混合发射和接收信号使得激光雷达系统非常具有选择性，因为波长不完全相同的光（例如阳光或来自相邻激光雷达系统的光）被简单地忽略。

　　实现相干探测激光雷达系统有不同的方法，但最常用的是调频连续波（FMCW）调制。图3显示了一个简化的例子。

图3：激光器工作在1550ηm左右，并由几百MHz进行调制（例如，从1550.002到1550ηm）。发射信号（和反射信号）约为200赫兹。在光混合之后，光电二极管呈现两个信号的和与差。光电二极管带宽有限，对约400THz和无响应，只能检测几百MHz的差分信号。

　　实际上，激光在频率上上下扫描，产生一个锯齿轮廓（频率对时间），由此可以导出距离和速度；关于后者，想想多普勒效应。图4显示了光学元件的更详细的概述。

图4:FMCW激光雷达系统的主要光学元件。

　　虽然比直接探测系统更复杂，但FMCW激光雷达的好处很多。例如，如上所述，返回信号乘以从发射源（本振，图4中的LO）获取的样本。由于激光雷达的路径损耗很高，即使LO的百分之几也会比返回信号大得多。信号放大量非常高，但仅针对完全相同波长的信号，这导致高光子效率。

　　例如，具有大约300米范围的FMCW激光雷达系统可以用小于200mW的激光功率来实现。类似的直接检测系统在相同范围内需要1000倍的峰值功率。应该注意的是，FMCW是其他部门激光雷达的核心；例如，光学测高仪器的测量范围可达几千米，激光多普勒激光雷达仪器的测量范围可超过500米。

　　相干激光雷达的另一个好处是信号链的带宽相当低。如果我们考虑图3中的波长（激光扫描范围为1550.002至1550ηm），光电二极管带宽可以限制在几百MHz。为了分辨接收脉冲的前沿，直接检测系统需要尽可能宽的带宽（通常超过2GHz）。

　　可以理解的是，较窄的带宽允许在光电二极管处使用较低噪声的跨阻抗放大器和较慢的模数转换器。

　　最后，相干检测提供每一点的速度信息。每点速度的好处在于，它是后续感知系统在解释激光雷达（和其他传感器）数据时可以使用的附加上下文度量，潜在地使得能够做出更明智的决策。

　　因此，相干探测的各种好处是显著的，但是相干激光雷达并非没有挑战。

　　激光器必须能够在足够长的时间内保持其相位完整性，以使其光能够到达最远的目标并从该目标返回。如果激光的相位在传输时间内变化很大，相干性可能会丢失，并且可能导致距离测量模糊。此外，它必须是调频的（在FMCW的情况下）。大多数二极管激光器不能胜任这一任务，但是一些半导体可调谐激光器已经出现在商业市场上。

　　此外，不是每个扫描机制都与相干检测兼容。接收器需要观察每个光点足够长的时间，以允许光到达尽可能远的目标并从该目标返回，因为返回信号需要与发射信号混合。例如，300米的范围要求扫描机构保持静止至少2秒，但是许多连续移动的扫描机构不能做到这一点。

　　最后，必须指出的是，相干激光雷达的信号处理任务明显大于直接探测。幸运的是，半导体制造商已经推出了高性能的片上系统（SoC）产品，将数据转换器、微控制器和DSP与FFT加速器相集成，以满足这些信号处理需求：indie Semiconductor的iND83301 Surya lidar SoC就是这样一个例子。

审核编辑：黄飞