为什么相干激光雷达在ADAS和汽车传感领域越来越受欢迎

光探测和测距(激光雷达)的概念最早出现于20世纪30年代，与无线电探测和测距(雷达)几乎同时出现。然而，直到20世纪60年代激光器出现后，该技术才得以展示，后来，光通信的发展推动了激光器和光调制技术的重大进步。

2008年，第一个商用激光雷达系统(最初称为“光学雷达”)在沃尔沃的乘用车上首次亮相。这项开创性的技术为首批自动紧急制动(AEB)系统之一提供动力，使车辆能够自动采取制动措施，防止或减轻追尾事故。

高分辨率激光雷达早在15年前就已问世(随后被雷达取代，成为AEB的廉价替代品)，此后迅速发展成为自动驾驶汽车计划的关键高分辨率传感器，并催生了多家资金雄厚的创新型初创公司。这项技术提供了更远的距离、出色的分辨率和车辆周围环境的实时3D可视化，如今已日趋成熟，不仅成为了一种用于自动驾驶的重要的传感器模式，还可用于补充乘用车和商用车队的高级驾驶辅助系统(ADAS)。

激光雷达传感器发射红外光谱中的光子来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其所使用的光波长非常短，因此可以进行精确的测量。此外，与摄像头相比，激光雷达可以在任何光照条件下工作，并且检测范围更大。激光雷达传感器所采集到的数据可视为一种“点云”(见图1)。

图1：激光雷达“点云”示例。

在开发激光雷达系统时，有很多事情需要考虑，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以最佳方式检测返回的光子。主要有两种方法，即直接检测和相干检测。

直接检测

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

图2：由于光速(c)恒定，因此到目标的距离为Δtc/2，其中Δt是光子发射开始到光子接收前沿之间的时间。

对于最远约50m的距离，不需要使用高质量的可调谐单模激光器(因为它只是一种在短时间内压缩大量光子的光源)或调制，从而简化了驱动电路。也不需要精密光学器件来补偿波前畸变。

为什么距离短？随着照射面积随距离的增加而增大，返回功率也会减小(与距离的平方成正比)。注意，计算公式为：返回功率约等于发射功率×(目标面积/照射面积)×(接收面积/(π×距离²))。损失是无法避免的，因此最简单的解决方案是发射更大的功率或提高接收器的灵敏度。

但是，可用的激光功率是有限的。强烈的近红外(IR)光(800至1400ηm)会损害人的视力。在ADAS或自动驾驶汽车应用中，单纯提高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，可以使用面积更大的接收透镜来增加光子收集量。此外，还可以使用雪崩光电二极管(APD，具有本征增益的光电二极管)，不过它们往往价格昂贵、易碎、体积小(使系统光学更加复杂)，并且只能提供高达约15倍的增益，否则自生噪声将成为问题。其他类型的传感器，如盖革模式雪崩光电探测器(GMAPD)​​和单光子雪崩探测器(SPAD)在直接检测激光雷达系统中具有更高的灵敏度，但在多雪、多尘或多雾的环境中效果不佳。

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，系统都需要知道其接收器接收到的信号(无论是脉冲无线电波还是光子)来自其发射器。干扰问题在脉冲汽车雷达的早期就已出现。一旦许多汽车都配备雷达，相互干扰就成了问题。最流行的解决方案是改用相干检测技术，对于雷达系统来说，主要是调频连续波(FMCW，见下文)。

直接检测激光雷达的另一个局限是它不能直接测量每个点的速度，而必须通过确定距离随时间的变化来计算(即比较多个后续帧)，这可能会影响系统的响应速度。

相干检测和FMCW

这涉及将入射光与透射光样本混合，这样做有两个主要好处。首先，可以通过建设性干涉(即接收信号与发射信号相乘)实现光子增益的无噪声放大，从而使系统能够使用极低功率的激光器实现出色的灵敏度。其次，发射信号和接收信号的混合使激光雷达系统具有很强的选择性，因为波长不完全相同的光(如阳光或来自相邻激光雷达系统的光)会被忽略。

有多种方法可实现相干检测激光雷达系统，但最流行的是调频连续波(FMCW)调制。图3显示了一个简化示例。

图3：激光器的工作波长在1550ηm左右，调制频率为几百兆赫(例如从1550.002到1550ηm)。发射信号(和反射信号)约为200THz。当光混合后，光电二极管得到两个信号的和与差。光电二极管的带宽有限，不会对约400THz的和做出响应，只能检测几百兆赫的差信号。

实际上，激光器在频率上下扫频，以产生锯齿状轮廓(频率与时间的关系)，由此即可推导出距离和速度；关于后者，可以参考多普勒效应。图4显示了光学元件的更详细概览。

图4：FMCW激光雷达系统的主要光学元件。

尽管FMCW激光雷达比直接检测系统复杂，但其优点也很多。例如，如前所述，返回信号乘以从发射源(图4中的本地振荡器LO)采集的样本。由于激光雷达的路径损耗很高，即使只有LO的百分之几，也会比返回信号大得多。信号的放大量非常大，但仅限于波长完全相同的信号，因此光子效率很高。

例如，用小于200mW的激光功率就能实现约300m范围的FMCW激光雷达系统。而类似的直接检测系统需要1000倍的峰值功率才能达到相同的范围。值得注意的是，FMCW是其他领域激光雷达的核心；例如，范围可达数千米的光学测高仪，以及范围超过500m的用于风特性测量的激光多普勒激光雷达。

相干激光雷达的另一个优点是信号链的带宽相当低。如果我们考虑图3中的波长(激光从1550.002扫描到1550ηm)，光电二极管的带宽可限制在几百兆赫。直接检测系统需要尽可能宽的带宽(通常超过2GHz)，以便分辨接收脉冲的前沿。

可以理解的是，较窄的带宽允许在光电二极管上使用噪声较低的跨阻抗放大器，并使用速度较慢的模数转换器(ADC)。

最后，相干检测可提供每点速度信息。每点速度的好处是，它是一个额外的上下文指标，后续感知系统在解释激光雷达(和其他传感器)数据时可以使用它，从而有可能实现更明智的决策。

因此，相干检测的各种好处都很重要，但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相位完整性，使其光线能够到达最远的目标并从那里返回。如果激光器的相位在传输时间内发生很大变化，相干性就会丧失，从而导致测距模糊。此外，还必须对它进行频率调制(在FMCW的情况下)。大多数二极管激光器都无法胜任这项任务，但商业市场上已经出现了许多可以胜任的半导体可调谐激光器。

此外，并非每种扫描装置都与相干检测兼容。接收器需要观察每个光点足够长的时间，以便使光线到达最远的目标并从那里返回，因为需要将返回信号与发射信号混合。例如，在300m的范围内，扫描装置需要保持静止至少2µs的时间，但许多连续移动的扫描装置无法做到这一点。

最后，必须注意的是，相干激光雷达的信号处理任务比直接检测要大得多。幸运的是，半导体制造商已经推出了功能强大的片上系统(SoC)，这些产品将数据转换器、微控制器和带有FFT加速器的DSP集成在一起，可以满足这些信号处理需求：indie Semiconductor公司的iND83301 Surya激光雷达SoC就是这样一个例子。

总结

不同的激光雷达应用受益于不同的设计方法。如前所述，在航空地面勘测等需要极远距离、激光雷达系统相互干扰风险小或不会伤害人眼的应用中，大功率脉冲直接检测可以很好地发挥作用。

然而，对于ADAS和自动驾驶地面车辆等应用来说，如果需要小于1km的检测距离，并且很有可能部署了其他潜在干扰的激光雷达系统，那么相干检测(尤其是FMCW)就具有多种优势。这些优势包括抗干扰(包括太阳光干扰)、高信噪比(在恶劣天气条件下非常重要)、本地高精度速度检测(为感知系统提供额外信息)和易于系统改装。出于这些原因，相干激光雷达检测正逐渐被考虑用于多种用途，尤其是下一代汽车传感。

Chet Babla是indie Semiconductor公司的战略营销高级副总裁，负责扩大公司的Tier 1和汽车OEM客户群，并支持产品路线图开发。他拥有超过25年的行业经验，职业生涯始于模拟芯片设计师，最近担任了Arm汽车业务副总裁，领导团队专注于提供汽车应用所需的处理技术，包括动力总成、数字驾驶舱、ADAS和自动驾驶。在加入Arm之前，Chet Babla曾在半导体行业担任过多个高级职位，还曾就ICT贸易和投资战略为英国政府提供过建议。他拥有英国哈德斯菲尔德大学电气与电子工程一等学位，并完成了加州大学伯克利分校哈斯商学院的高管领导力课程。

（原文刊登于EE Times姊妹网站Embedded，参考链接：Why coherent lidar is gaining traction in ADAS and automotive sensing，由Franklin Zhao编译。）

本文为《电子工程专辑》2024年7月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。