自動駕駛汽車激光雷達傳感器指南

幾年后，你可能會召喚一輛自動駕駛汽車來接你，開車送你去上班。當(dāng)您在旅途中趕上電子郵件或小睡時，您相信汽車的傳感器和攝像頭會安全準(zhǔn)確地引導(dǎo)它到達目的地。

為了有效，自動駕駛汽車的能力必須超過人類駕駛員的能力。這怎么可能？這些車輛如何在光線、黑暗、惡劣天氣條件下，以及在黑暗和惡劣的天氣中進一步突破極限？建立可靠的自動駕駛能力需要設(shè)計一個結(jié)合各種傳感器和計算的檢測系統(tǒng)......一個比人類更能“看到”車輛環(huán)境的系統(tǒng)。

該系統(tǒng)設(shè)計多樣性的關(guān)鍵在于不同的傳感器類型、冗余和重疊傳感器，以提高汽車的視覺精度。主要的自動駕駛汽車傳感器是攝像頭、雷達和 LiDAR（光成像、檢測和測距）。通過技術(shù)融合電子設(shè)備，這些不同的傳感器協(xié)同工作，通過檢測視野中物體的形狀、速度和距離，為汽車提供視覺的周圍地圖。單個傳感器的技術(shù)融合大于每個傳感器的總和。

圖1.自動駕駛汽車需要許多套“眼睛”，由攝像頭、雷達和LiDAR傳感器提供。

在圖 1 中，攝像頭（藍色）通過“看到”所有彩色攝像頭，給人類居住者一種自信的感覺。輸入攝像頭數(shù)據(jù)通過提供無與倫比的視覺細(xì)節(jié)來添加到自動駕駛汽車的地圖中。雷達信號在惡劣天氣下有效運行，增加了人類可能無法提供的維度。LiDAR 在短時間內(nèi)使用光線并“看起來”并乘以反射。將所有三個數(shù)據(jù)輸出結(jié)果與板載處理器相結(jié)合。

相機會說謊嗎？

相機創(chuàng)建世界的視覺表示。自動駕駛汽車依靠前、后、左和右的攝像頭，因此可以實現(xiàn) 360 度視圖。一些相機具有較短距離的寬視野（120度）。其他人則專注于狹窄的視野，提供遠(yuǎn)程視覺效果。有些汽車有魚眼攝像頭，提供全景，可以全面了解車輛后面的情況。

雖然相機提供準(zhǔn)確的視覺效果，但它們有其局限性。它們區(qū)分周圍環(huán)境的細(xì)節(jié);但是，距離確定需要兩個維度才能開始計算確切位置。我想每輛車可以有兩個攝像頭，就像兩只眼睛一樣，專注于人類感興趣的項目，但這可能是多余的和無效的，因為我們將為自動駕駛汽車的技術(shù)融合處理添加其他傳感器。另一個嚴(yán)重的缺點是，基于攝像頭的傳感器很難在低能見度條件下檢測物體，例如雨、霧或夜間。

雷達測繪

雷達傳感器是對低能見度攝像機的補充。雷達從一開始就存在于飛機、氣象編隊和探測船只中。該技術(shù)以脈沖形式傳輸無線電波。一旦波浪擊中物體，它們就會反彈并返回接收器。這提供了速度和位置對象數(shù)據(jù)。

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

使用激光雷達傳感器對焦

LiDAR 是執(zhí)行自動駕駛汽車距離傳感的關(guān)鍵光學(xué)技術(shù)。LiDAR 傳感器有助于完成畫面。汽車應(yīng)用的LiDAR性能高度依賴于光前端以及信號通過信號鏈傳輸然后處理的方式。

LiDAR 傳感器通過脈沖激光和計算返回信號的時間來測量距離。LiDAR 為自動駕駛汽車提供 3D 視圖。返回信號為周圍的汽車和行人提供形狀和深度。激光雷達與雷達一樣，在弱光條件下工作。

為什么跨阻放大器對LiDAR至關(guān)重要

在LiDAR應(yīng)用中，跨阻放大器（TIA）具有獨特的帶寬和噪聲規(guī)格，是信號鏈的核心，能夠精確檢測固定或移動物體。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，可以感測回光。信號通過比較器（COMP1）進一步調(diào)理。如圖2所示，TIA2和COMP2提供了初始激光傳輸時間，該圖描述了車輛的激光/接收器系統(tǒng)。該系統(tǒng)由多個光電二極管、一個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。

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)動器啟動向物體發(fā)射激光脈沖。激光傳播到玻璃板上，玻璃板將激光信號反射回MCU，以確定初始傳輸時間并傳遞到發(fā)射器光學(xué)器件（指定透鏡）。發(fā)射的脈沖到達物體并反射到D1、TIA1 接收器系統(tǒng)。一旦通過接收器光學(xué)器件和鏡面反射，光線就會撞擊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。

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

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

低噪聲、高增益、低群延遲和從過載中快速恢復(fù)使這些 TIA 適合距離測量應(yīng)用。重要特性包括：2.38pA輸入?yún)⒖荚肼暶芏取?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。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），用于汽車激光雷達。

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

總結(jié)

攝像頭、雷達和激光雷達系統(tǒng)的技術(shù)融合為自動駕駛汽車創(chuàng)造了一個近乎人類的視覺系統(tǒng)。盡管這三個傳感器提供不同的數(shù)據(jù)和信息，但自動駕駛汽車的計算能力將這三個視角融合在一起。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)該對自動駕駛汽車的能力更有信心，這些汽車可能很快就會讓你的通勤更加高效或放松。

審核編輯：郭婷