為什么相干激光雷達在ADAS和汽車傳感領域越來越受歡迎

光探測和測距(激光雷達)的概念最早出現于20世紀30年代，與無線電探測和測距(雷達)幾乎同時出現。然而，直到20世紀60年代激光器出現后，該技術才得以展示，后來，光通信的發展推動了激光器和光調制技術的重大進步。

2008年，第一個商用激光雷達系統(最初稱為“光學雷達”)在沃爾沃的乘用車上首次亮相。這項開創性的技術為首批自動緊急制動(AEB)系統之一提供動力，使車輛能夠自動采取制動措施，防止或減輕追尾事故。

高分辨率激光雷達早在15年前就已問世(隨后被雷達取代，成為AEB的廉價替代品)，此后迅速發展成為自動駕駛汽車計劃的關鍵高分辨率傳感器，并催生了多家資金雄厚的創新型初創公司。這項技術提供了更遠的距離、出色的分辨率和車輛周圍環境的實時3D可視化，如今已日趨成熟，不僅成為了一種用于自動駕駛的重要的傳感器模式，還可用于補充乘用車和商用車隊的高級駕駛輔助系統(ADAS)。

激光雷達傳感器發射紅外光譜中的光子來檢測和創建周圍環境的3D圖像。事實證明，它們在汽車應用中非常受歡迎。與雷達相比，激光雷達的主要優勢在于其所使用的光波長非常短，因此可以進行精確的測量。此外，與攝像頭相比，激光雷達可以在任何光照條件下工作，并且檢測范圍更大。激光雷達傳感器所采集到的數據可視為一種“點云”(見圖1)。

圖1：激光雷達“點云”示例。

在開發激光雷達系統時，有很多事情需要考慮，例如使用什么波長、掃描方法以及如何處理干擾。然而，最大的系統決策是如何以最佳方式檢測返回的光子。主要有兩種方法，即直接檢測和相干檢測。

直接檢測

在直接檢測系統中，發射的激光脈沖會有效地啟動計時器。當接收到激光脈沖的回波時，計時器停止，并根據經過的時間計算距離。見圖2。

圖2：由于光速(c)恒定，因此到目標的距離為Δtc/2，其中Δt是光子發射開始到光子接收前沿之間的時間。

對于最遠約50m的距離，不需要使用高質量的可調諧單模激光器(因為它只是一種在短時間內壓縮大量光子的光源)或調制，從而簡化了驅動電路。也不需要精密光學器件來補償波前畸變。

為什么距離短？隨著照射面積隨距離的增加而增大，返回功率也會減小(與距離的平方成正比)。注意，計算公式為：返回功率約等于發射功率×(目標面積/照射面積)×(接收面積/(π×距離²))。損失是無法避免的，因此最簡單的解決方案是發射更大的功率或提高接收器的靈敏度。

但是，可用的激光功率是有限的。強烈的近紅外(IR)光(800至1400ηm)會損害人的視力。在ADAS或自動駕駛汽車應用中，單純提高近紅外光的發射功率會對其他道路使用者和行人造成危險。

至于提高接收器靈敏度，可以使用面積更大的接收透鏡來增加光子收集量。此外，還可以使用雪崩光電二極管(APD，具有本征增益的光電二極管)，不過它們往往價格昂貴、易碎、體積小(使系統光學更加復雜)，并且只能提供高達約15倍的增益，否則自生噪聲將成為問題。其他類型的傳感器，如蓋革模式雪崩光電探測器(GMAPD)??和單光子雪崩探測器(SPAD)在直接檢測激光雷達系統中具有更高的靈敏度，但在多雪、多塵或多霧的環境中效果不佳。

此外，所有檢測系統都需要某種形式的抗干擾措施。無論是雷達還是激光雷達，系統都需要知道其接收器接收到的信號(無論是脈沖無線電波還是光子)來自其發射器。干擾問題在脈沖汽車雷達的早期就已出現。一旦許多汽車都配備雷達，相互干擾就成了問題。最流行的解決方案是改用相干檢測技術，對于雷達系統來說，主要是調頻連續波(FMCW，見下文)。

直接檢測激光雷達的另一個局限是它不能直接測量每個點的速度，而必須通過確定距離隨時間的變化來計算(即比較多個后續幀)，這可能會影響系統的響應速度。

相干檢測和FMCW

這涉及將入射光與透射光樣本混合，這樣做有兩個主要好處。首先，可以通過建設性干涉(即接收信號與發射信號相乘)實現光子增益的無噪聲放大，從而使系統能夠使用極低功率的激光器實現出色的靈敏度。其次，發射信號和接收信號的混合使激光雷達系統具有很強的選擇性，因為波長不完全相同的光(如陽光或來自相鄰激光雷達系統的光)會被忽略。

有多種方法可實現相干檢測激光雷達系統，但最流行的是調頻連續波(FMCW)調制。圖3顯示了一個簡化示例。

圖3：激光器的工作波長在1550ηm左右，調制頻率為幾百兆赫(例如從1550.002到1550ηm)。發射信號(和反射信號)約為200THz。當光混合后，光電二極管得到兩個信號的和與差。光電二極管的帶寬有限，不會對約400THz的和做出響應，只能檢測幾百兆赫的差信號。

實際上，激光器在頻率上下掃頻，以產生鋸齒狀輪廓(頻率與時間的關系)，由此即可推導出距離和速度；關于后者，可以參考多普勒效應。圖4顯示了光學元件的更詳細概覽。

圖4：FMCW激光雷達系統的主要光學元件。

盡管FMCW激光雷達比直接檢測系統復雜，但其優點也很多。例如，如前所述，返回信號乘以從發射源(圖4中的本地振蕩器LO)采集的樣本。由于激光雷達的路徑損耗很高，即使只有LO的百分之幾，也會比返回信號大得多。信號的放大量非常大，但僅限于波長完全相同的信號，因此光子效率很高。

例如，用小于200mW的激光功率就能實現約300m范圍的FMCW激光雷達系統。而類似的直接檢測系統需要1000倍的峰值功率才能達到相同的范圍。值得注意的是，FMCW是其他領域激光雷達的核心；例如，范圍可達數千米的光學測高儀，以及范圍超過500m的用于風特性測量的激光多普勒激光雷達。

相干激光雷達的另一個優點是信號鏈的帶寬相當低。如果我們考慮圖3中的波長(激光從1550.002掃描到1550ηm)，光電二極管的帶寬可限制在幾百兆赫。直接檢測系統需要盡可能寬的帶寬(通常超過2GHz)，以便分辨接收脈沖的前沿。

可以理解的是，較窄的帶寬允許在光電二極管上使用噪聲較低的跨阻抗放大器，并使用速度較慢的模數轉換器(ADC)。

最后，相干檢測可提供每點速度信息。每點速度的好處是，它是一個額外的上下文指標，后續感知系統在解釋激光雷達(和其他傳感器)數據時可以使用它，從而有可能實現更明智的決策。

因此，相干檢測的各種好處都很重要，但相干激光雷達并非沒有挑戰。

激光器必須能夠在足夠長的時間內保持相位完整性，使其光線能夠到達最遠的目標并從那里返回。如果激光器的相位在傳輸時間內發生很大變化，相干性就會喪失，從而導致測距模糊。此外，還必須對它進行頻率調制(在FMCW的情況下)。大多數二極管激光器都無法勝任這項任務，但商業市場上已經出現了許多可以勝任的半導體可調諧激光器。

此外，并非每種掃描裝置都與相干檢測兼容。接收器需要觀察每個光點足夠長的時間，以便使光線到達最遠的目標并從那里返回，因為需要將返回信號與發射信號混合。例如，在300m的范圍內，掃描裝置需要保持靜止至少2µs的時間，但許多連續移動的掃描裝置無法做到這一點。

最后，必須注意的是，相干激光雷達的信號處理任務比直接檢測要大得多。幸運的是，半導體制造商已經推出了功能強大的片上系統(SoC)，這些產品將數據轉換器、微控制器和帶有FFT加速器的DSP集成在一起，可以滿足這些信號處理需求：indie Semiconductor公司的iND83301 Surya激光雷達SoC就是這樣一個例子。

總結

不同的激光雷達應用受益于不同的設計方法。如前所述，在航空地面勘測等需要極遠距離、激光雷達系統相互干擾風險小或不會傷害人眼的應用中，大功率脈沖直接檢測可以很好地發揮作用。

然而，對于ADAS和自動駕駛地面車輛等應用來說，如果需要小于1km的檢測距離，并且很有可能部署了其他潛在干擾的激光雷達系統，那么相干檢測(尤其是FMCW)就具有多種優勢。這些優勢包括抗干擾(包括太陽光干擾)、高信噪比(在惡劣天氣條件下非常重要)、本地高精度速度檢測(為感知系統提供額外信息)和易于系統改裝。出于這些原因，相干激光雷達檢測正逐漸被考慮用于多種用途，尤其是下一代汽車傳感。

Chet Babla是indie Semiconductor公司的戰略營銷高級副總裁，負責擴大公司的Tier 1和汽車OEM客戶群，并支持產品路線圖開發。他擁有超過25年的行業經驗，職業生涯始于模擬芯片設計師，最近擔任了Arm汽車業務副總裁，領導團隊專注于提供汽車應用所需的處理技術，包括動力總成、數字駕駛艙、ADAS和自動駕駛。在加入Arm之前，Chet Babla曾在半導體行業擔任過多個高級職位，還曾就ICT貿易和投資戰略為英國政府提供過建議。他擁有英國哈德斯菲爾德大學電氣與電子工程一等學位，并完成了加州大學伯克利分校哈斯商學院的高管領導力課程。

（原文刊登于EE Times姊妹網站Embedded，參考鏈接：Why coherent lidar is gaining traction in ADAS and automotive sensing，由Franklin Zhao編譯。）

本文為《電子工程專輯》2024年7月刊雜志文章，版權所有，禁止轉載。免費雜志訂閱申請點擊這里。