基于FPGA/SoC的設計為什么在激光雷達業(yè)界占據主流呢

很容易認混的LiDAR 和 RADAR

在說到基于FPGA的LiDAR系統(tǒng)之前，我們先來聊聊”雷達”和”激光雷達”的區(qū)別。因為這兩個詞語看起來十分相近，經常會被讀者混淆。

實際上，目前大家經常談論的激光雷達（LiDAR），其實是“光學雷達”，從其英文“LightDetection And Ranging” (也就是”光學探測及測距”)縮寫而來，是一種光學遙感技術，通過向目標照射一束光，通常是一束脈沖激光，來測量目標的距離等參數。

而我們一般說的雷達（Radar）又是什么意思呢？它的名字Radar的全稱是Radio Detection And Ranging，翻譯過來，是“無線電的探測和測量”。其實這兩者工作原理相似，區(qū)別在于發(fā)射信號不同，Lidar采用的是激光，而Radar采用的是無線電波(如微波 / 毫米波 / 厘米波雷達)。

激光雷達大家族枝繁葉茂

如上面我們提及，LiDAR是光學探測及測距系統(tǒng)的簡稱，也就是用激光器作為發(fā)射光源，采用光電探測技術手段的主動遙感設備。激光雷達是激光技術與現代光電探測技術結合的先進探測方式。由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信息處理等部分組成。

發(fā)射系統(tǒng)是各種形式的激光器，而接收系統(tǒng)采用望遠鏡和各種形式的光電探測器。 隨著科技的不斷發(fā)展，激光雷達的應用越來越廣泛，在機器人、無人駕駛、無人車等領域都能看到它的身影，有需求必然會有市場，隨著激光雷達需求的不斷增大，激光雷達的種類也變得琳瑯滿目，按照使用功能、探測方式、載荷平臺等激光雷達可分為不同的類型。

以離我們生活很近的車用激光雷達舉例，激光雷達具有高精度、高分辨率的優(yōu)勢，同時具有建立周邊3D模型的前景，然而其劣勢在于對靜止物體如隔離帶的探測較弱且技術落地成本高昂。

激光雷達可廣泛應用于ADAS系統(tǒng)，例如自適應巡航控制（ACC）、前車碰撞警示（FCW）、自動緊急制動（AEB）及更高級的L4級別自動駕駛等。

當然，激光雷達也有部分缺點，它在工作時受天氣和大氣影響大。激光一般在晴朗的天氣里衰減較小，傳播距離較遠。而在大雨、濃煙、濃霧等壞天氣里，衰減急劇加大，傳播距離大受影響。

那么，從設計上來講，激光雷達都分為哪幾類？而基于FPGA/SoC的設計為什么在激光雷達業(yè)界占據主流呢？我們?yōu)槟煨斓纴怼?/p>

激光雷達如何分類？

如我們在前面提及，雷達可以從兩個維度進行分類[1] [3]： 從發(fā)射波來看，分為脈沖和連續(xù)波兩種：基于脈沖，以ToF為主要測距原理占據了當前的主要，但是基于連續(xù)波的FMCW激光雷達也在不斷涌現新品。

而我們更直觀的是根據掃描方式是以掃描機制分類[1]: 以車載激光雷達為例，激光雷達通常分為機械式激光雷達、純固態(tài)式激光雷達、半固態(tài)激光雷達。其中，半固態(tài)雷達以轉鏡式、旋鏡式、振鏡式三類為代表。而固態(tài)激光雷達主要有MEMS、OPA、Flash三大技術方向。

2.1?機械式激光雷達

機械式激光雷達的經典架構主要是通過電機帶動光機結構整體旋轉，一般在系統(tǒng)通道數目的增加、測距范圍的拓展、空間角度分辨率的提高、系統(tǒng)集成度與可靠性的提升等方面進行技術的創(chuàng)新。

機械式激光雷達具有掃描速度快，接受視場小，抗光干擾能力強，信噪比高等優(yōu)勢，缺點在于價格昂貴，光路調試、裝配復雜、生產周期較長。

2.2?半固態(tài)式激光雷達

半固態(tài)式激光雷達可以分為轉鏡式、微振鏡式等。其中，轉鏡式保持收發(fā)模塊不動，讓電機在帶動轉鏡運動的過程中將光束反射至空間的一定范圍，從而實現掃描探測，其技術創(chuàng)新方面與機械式激光雷達類似。

轉鏡式激光雷達：保持收發(fā)模塊不動讓電機在帶動轉鏡運動的過程中反射激光從而達到掃描探測效果(圖片來源：Valeo) 微振鏡式/MEMS式激光雷達主要采用高速振動的二維振鏡實現，對空間進行一定范圍的掃描測量，技術發(fā)展方面?zhèn)戎亻_發(fā)口徑更大、頻率更高、可靠性更好振鏡來適用于激光雷達。微振鏡/MEMS振動幅度很小，頻率高，成本低，技術成熟，適用于量產大規(guī)模應用。

MEMS激光雷達

2.3?純固態(tài)式激光雷達

一般認為，純粹的固態(tài)激光雷達只有兩種，一種是光學相控陣OPA，一種是Flash。OPA 即光學相控陣技術，通過施加電壓調節(jié)每個相控單元的相位關系，利用相干原理，實現發(fā)射光束的偏轉，從而完成系統(tǒng)對空間一定范圍的掃描測量。而Flash激光雷達主要是通過短時間直接發(fā)射出一大片覆蓋探測區(qū)域的激光，再以高度靈敏的面陣接收器，來完成對環(huán)境周圍圖像的繪制。

這兩種純固態(tài)式激光雷達都有掃描速度快、精度高、可控性好、體積小等特點被認為是未來激光雷達的發(fā)展趨勢，當然也有出于功率限制導致純固態(tài)激光雷達掃描距離較短等有待改進之處。

基于FPGA的激光雷達設計

激光雷達度對接口速率與算力的需求： 如前文提及，不同的形態(tài)對于激光雷達的光學設計差異非常大，從光源的選擇（采用哪個波段，多少個激光器）、掃描方式選擇（機械，轉鏡、MEMS、雙楔形棱鏡、OPA、Flash等）、接收方式的選擇（如業(yè)界流行的APD、SiPM、SPAD等方式）都有多種方式。這意味著如果需要對信號進行有效處理，激光雷達的硬件和算法是一個軟硬件緊密結合設計，是一個整體嵌入式算法系統(tǒng)設備。

激光雷達的算法主要包括點云生成和點云信號處理兩部分： 首先是點云生成的一系列算法，由硬件以及光學設計強耦合而成，包含以下四個方面： A. 光源生成：由 FPGA、Laser Driver 及相關算法生成，(如由FPGA 形成抗干擾編碼等）； B. 光源掃描：電機、MEMS 等相關部件的掃描算法、ROI 區(qū)域形成等; C. 光源接收：信號檢測、放大、噪聲濾除、近距離增強等算法; D. 信號處理：點云生成、狀態(tài)數據、消息數據生成等; 而接口速率則根據激光雷達使用TDC或ADC而不同（總體來說，TDC 方式更適合低成本場景，而ADC則支持更精密測量）。

由于反射光以及光電探測器通常輸出的都是模擬信號，往往需要將其轉化成數字信號才便于核心處理器進行處理及運行后續(xù)的算法。TDC（時間數字轉換器）主要發(fā)揮計時器功能，通常用于低功耗、低成本、環(huán)境簡單的系統(tǒng)，當主控芯片發(fā)出發(fā)光信號時，也同步給 TDC 一個開始計時的信號，隨后反射回來的光經過 TIA 轉換成放大的電壓，再經過比較器與參考電壓比較，判斷是否有光入射，TDC則將比較器的輸出當做結束信號，完成計時，并將時間信息送回主控芯片。以AMD/Xilinx器件為例，基于FPGA的進位鏈模塊，28/16nm系列器件可以做到小于10ps的測量精度。

基于ADC的激光雷達通常用于更復雜的系統(tǒng)，ADC 對反射光信號進行持續(xù)采樣，轉換成數字信號，并由控制芯片進行波形處理、計時等工作。

無論是基于高速LVDS并行接口，還是更高速率，基于高速串行收發(fā)器(Serdes,如基于JESD204B/C接口)的高速ADC,AMD/Xilinx 器件支持最高基于JESD204C 的32Gbps速率，給您帶來更多實現方式的選擇空間。

在激光雷達大放異彩的AMD/Xilinx FPGA

AMD/Xilinx SoC：適應算法快速迭代的高效方案

Xilinx/AMD提供了成熟的帶有可編程邏輯的SoC芯片，以28nm制程的Zynq7000系列，16nm制程的MPSoC系列為主，其PL部分的可編程邏輯可以提供豐富而精準的電機控制，脈沖生成，激光發(fā)射器/接收器控制，數據同步、濾波，點云數據生成及處理，目標檢測等功能的硬件及相關IP, 而PS部分的處理器則可以對流程控制，數據上傳，在線升級(OTA)。

同時(敲黑板啦!) , 針對工業(yè)及車規(guī)應用，AMD/ Xilinx 的相關芯片及工具鏈均通過了IEC-61508 / ISO 26262 認證， 可以配合全套功能安全方案，實現不同應用場景的功能安全需求，為相關激光雷達應用保駕護航！ 基于上述考慮，這也是為什么在當前工業(yè)界，激光雷達的主控芯片中FPGA占據了相當大比例。

為什么不采用 CPU 作為主控？因為激光雷達需要進行大量的信號處理、電機時序控制等，CPU 雖然也能做，但如果基于可編程的FPGA設計，采用專用的算法以及為算法專門優(yōu)化設計的電路，其效率會高得多。?

審核編輯：劉清