目前有大量景深測量技術(shù)可以實(shí)現這些應用，例如無(wú)線(xiàn)電探測和測距（雷達）、立體視覺(jué)、超聲波探測和測距，以及LIDAR。但是，這些傳感器都是在性能尺寸成本之間做了妥協(xié)。超聲波器件最為經(jīng)濟高效，但其范圍、分辨率和可靠性都很有限。雷達的檢測范圍和可靠性得到大幅提升，但它的角分辨率存在限制；此外，立體視覺(jué)的計算成本非常高，而且如果不能妥善校準，則精度非常有限。精心設計的lider系統能做到在長(cháng)探測距離下，精準的測距，出色的角分辨率，較低的算法處理，所以能夠幫助彌補這些不足。但是，LIDAR系統一般體積大，成本高，這些缺點(diǎn)需要改進(jìn)。

 

LIDAR系統設計要確定系統對小目標的探測能力，在多少遠處能探測到多低反射率的多小尺寸的目標。同時(shí)這也就定義了系統需要的角分辨率。由此可以計算得出可達到的最小信噪比(SNR)，該最小信噪比就決定了系統探測的檢測概率與誤檢概率。

 

了解感知環(huán)境和必要的信息量，作出適當的設計權衡，從而開(kāi)發(fā)出成本和性能最佳的解決方案。例如，一輛自動(dòng)駕駛汽車(chē)以100 kph (~27 mph)的速度在道路上行駛，而自動(dòng)機器人則以6 kph的速度在步行區或倉庫中移動(dòng)。在高速情況下，我們可能不但需要考慮以100 kph的速度行駛的車(chē)輛，還需要考慮以相同速度對向行駛的另一車(chē)輛。對于感測系統來(lái)說(shuō)，這相當于一個(gè)物體以200 kph的相對速度接近。對于LIDAR傳感器來(lái)說(shuō)，檢測對象之間的最大距離為200 m時(shí)，兩車(chē)之間的距離在一秒內便會(huì )縮短25%。應該注意的是，在進(jìn)行規避時(shí)，汽車(chē)的速度（或與對象之間的非直線(xiàn)逼近速度）、剎停距離和動(dòng)力學(xué)這些復雜因素會(huì )因具體情況而異。一般來(lái)說(shuō)，高速應用需要采用檢測距離更長(cháng)的LIDAR系統。

 

分辨率是LIDAR系統設計中的另一個(gè)重要系統特性。精細的角度分辨率使LIDAR系統能夠從某一個(gè)被測目標接收到多個(gè)像素的回波信號。如圖1所示，在200m處，1°角分辨意味著(zhù)單個(gè)像素寬度為3.5m。這種像素尺寸比許多目標的物理尺寸都大，這會(huì )帶來(lái)多重挑戰。首先，我們通常使用空間平均法來(lái)改善SNR和檢測能力，但是如果目標只占據一個(gè)像素點(diǎn)，這種方法并不適用。此外，即使能檢測到，我們也無(wú)法評估出目標的尺寸。道路上的垃圾碎屑、動(dòng)物、交通標志和摩托車(chē)，這些物體的尺寸通常都小于3.5米。當角分辨率再提升10倍達到0.1°，對于200米開(kāi)外的汽車(chē)，水平方向就能采集到5個(gè)相鄰的像素點(diǎn)。這意味著(zhù)在200m開(kāi)外，就能區分出是汽車(chē)還是摩托車(chē)。（看交通工具的寬度即可，一般情況下交通工具都是寬度大于高度的。且汽車(chē)和摩托車(chē)高度差不多，寬度有明顯區別）。

 

為能安全的自動(dòng)行駛，不僅方位角需要高分辨率，有時(shí)候還需要俯仰角高分辨率。想象一下，自動(dòng)化的掃地機器人盡管移動(dòng)緩慢但是需要檢測細高的物體，如桌子腿，以便判斷能否鉆進(jìn)桌下進(jìn)行工作。這個(gè)需求與之前的高速自動(dòng)駕駛需求就不太一樣了。

 

圖1. 1°水平分辨率的32線(xiàn)掃描LIDAR系統

 

一旦確定下來(lái)自動(dòng)駕駛設備的速度與行駛場(chǎng)景，需要探測目標的性質(zhì)以及要達到的性能，就可以構建符合其應用的LIDAR系統構架。您可以做出多種選擇，例如掃描與閃光、直接飛行時(shí)間(ToF)與波形數字化，但本文暫不討論它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)。無(wú)論選擇哪一種架構，ADI豐富的高性能信號鏈和電源管理組件產(chǎn)品系列（用藍色突出顯示，參見(jiàn)圖2）會(huì )提供所需的構建塊，幫助設計存在不同限制（例如尺寸和成本）的系統。

 

圖2 使用分立元件的LIDAR系統

 

AD-FMCLIDAR1-EBZ 是 高性能的LIDAR原型制作平臺，也是905 nm脈沖直接ToF LIDAR開(kāi)發(fā)套件。使用這個(gè)系統可以快速構建機器人、無(wú)人機、農業(yè)和建筑設備，以及采用1D靜態(tài)閃光配置的ADAS/AV的原型。這個(gè)參考設計中選用的組件主要是針對長(cháng)距離脈沖LIDAR應用。該系統采用905 nm激光源，由高速、雙通道4 A MOSFET ADP3634驅動(dòng)。它還包括由可編程電源 LT8331供電（用于生成APD電源電壓）的First Sensor 公司的16通道APD陣列。包括多個(gè)低噪聲、高帶寬的4通道 LTC6561 TIA，一個(gè)AD9094 AD9094 1 GSPS、8位ADC，其在通道上的功耗最低，為每通道435 mW。 我們的設計需要繼續增大帶寬和采樣速率，以幫助提高整個(gè)系統的幀率和范圍精度。與此同時(shí)，需要最大限度降低功耗。這是因為散熱減少可以簡(jiǎn)化熱/機械設計，從而幫助模塊減小外形尺寸。

 

圖3.ADI公司的AD-FMCLIDAR1-EBZ LIDAR開(kāi)發(fā)解決方案系統架構。

 

測量距離（或深度）、精度都與ADC采樣速率相關(guān)。距離測量精度使得系統能夠準確獲知與目標之間的距離，對于需要近距離移動(dòng)的場(chǎng)景（例如停車(chē)或倉儲物流），這非常重要。此外，可以根據多幀之間目標距離的變化來(lái)計算目標的速度，這種情況下就要求對目標距離的測量精度要很高。采用簡(jiǎn)單的閾值算法（例如直接ToF）時(shí)，1 ns采樣時(shí)段（也就是，使用1 GSPS ADC）的范圍精度可達到15 cm。計算公式為c(dt/2)，其中c表示光速，dt表示ADC采樣時(shí)段。鑒于包含ADC，所以，可以采用更復雜的技術(shù)（例如插值）來(lái)改善范圍測量精度。據估計，測量精度將正比于信噪比的均方根。匹配濾波器是用于處理數據的性能最高的算法之一，它可以在插值之后最大化SNR，從而得到最好的距離測量精度。

 

EVAL-ADAL6110-16，一款高度可配置的評估系統，可以輔助實(shí)施LIDAR系統設計。它為需要實(shí)時(shí)(65 Hz)檢測/跟蹤對象的應用（例如防撞、高度監測和軟著(zhù)陸）提供簡(jiǎn)單但可配置的2D閃存LIDAR深度傳感器。

 

圖4.使用集成式16通道ADAL6110-16的EVAL-ADAL6110-16 LIDAR評估模塊。

 

參考設計中使用的光學(xué)器件為我們提供了37°（方位角）和5.7°（俯仰角）的視野(FOV)。在方向角的16像素線(xiàn)性矩陣中，20米像素大小相當于普通成人的體型，為0.8米（方位角）×2米（俯仰角）。如前所述，不同的應用可能需要不同的光學(xué)配置。如果現有的光學(xué)器件不能滿(mǎn)足應用需求，可以輕松從殼體上取下印刷電路板，并將其集成到新的光學(xué)配置中。

 

該評估系統以ADI的 ADAL6110-16為核心，這是一款低功率、16通道的集成式LIDAR信號處理器(LSP)。該器件為相關(guān)的照明區域提供時(shí)序控制和對接收的波形采樣的時(shí)序，且能對獲取的波形實(shí)施數字化。ADAL6110-16集成了高靈敏度的模擬元件，可以幫助降低本底噪聲，使系統能夠捕獲能量很低的回波信號。相對于采用類(lèi)似信號鏈的分立式元件方案，它們的本底噪聲是由rms噪聲決定的，所以其靈敏度不如ADAL6110的方案。此外，使用集成信號鏈可以減小LIDAR系統設計的尺寸大小、重量和功耗。

 

系統軟件能讓芯片快速測距以便完成多點(diǎn)測量。它的通道之間是完全獨立的，通過(guò)USB提供的單個(gè)5 V電源運行，通過(guò)使用該模塊的機器人OS（ROS）的驅動(dòng)，可以很方便集成進(jìn)現有的自動(dòng)駕駛系統。用戶(hù)只需創(chuàng )建一個(gè)連接器，將設備與機器人或者車(chē)輛的接口相連，即可通過(guò)以下四種通信協(xié)議進(jìn)行通信：SPI、USB、CAN或RS-232?？梢赃x擇不同的接收器和發(fā)射器技術(shù)對參考設計實(shí)施修改。有關(guān)EVAL-ADAL6110-16和ADAL6110-16 LSP的更多信息，請訪(fǎng)問(wèn)analog.com/LIDAR.

 

如前所述，可以更改EVAL-ADAL6110-16參考設計的接收器技術(shù)，以構建圖5至圖7所示的不同配置。EVAL-ADAL6110-16采用Hamamatsu S8558 16元件光電二極管矩陣。表1中顯示的不同距離下的像素大小是基于有效像素大小，即0.8 mm×2 mm，以及20 mm的焦距鏡頭。例如，如果使用單個(gè)光電二極管（例如Osram SFH-2701）來(lái)重新設計這個(gè)板，且每個(gè)光電二極管的有效面積為0.6 mm × 0.6 mm，那么相同范圍內的像素大小會(huì )大為不同，因為FOV會(huì )隨像素大小而改變。

 

表1.EVAL-ADAL6110-16中使用的接收器大小和光學(xué)器件，以及將接收器更換為SFH-2701之后，可能的像素排列

 

例如，我們來(lái)回顧一下16個(gè)像素配成一行的S8558，各像素尺寸為：2 mm × 0.8 mm。

 

圖5.Hamamatsu S8558 PIN光電二極管陣列的尺寸。

 

選擇20mm焦距鏡頭后，可以利用基本三角函數計算出每個(gè)像素的垂直和水平FOV，如圖6所示。當然，選擇鏡頭時(shí)還需要考慮其他更復雜的因素，比如像差校正和場(chǎng)曲效應。但是，對于這樣的低分辨率系統，一般只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的光路計算。

 

圖6. 簡(jiǎn)單光學(xué)模型的角分辨率基本計算

 

所選的1×16像素FOV可用于自動(dòng)駕駛車(chē)輛和自動(dòng)地面車(chē)輛的對象檢測和防撞等應用中，或者使受限環(huán)境（例如倉庫）中的機器人實(shí)現同步定位與地圖繪制(SLAM)。

 

圖7.LIDAR系統的各種光學(xué)配置，可以幫助增強應用的安全性。

 

有一種獨特應用，需要配置4 × 4網(wǎng)格矩陣，以檢測系統周?chē)奈矬w。這個(gè)正在開(kāi)發(fā)中的應用將被安裝在大客車(chē)和RV（休閑車(chē)輛）中，作為車(chē)輛的安全器件，可以在車(chē)輛近旁有行人行走時(shí)向駕駛員發(fā)出警報。該系統可以檢測行人行走的方向，提醒駕駛員剎停車(chē)輛或按喇叭提醒行人，以防撞倒行人或自行車(chē)騎行者。

 

注意，并非每種應用都需要0.1°的角分辨率和100米測量范圍。細想一下應用真正需要采用哪種LIDAR系統設計，然后明確定義關(guān)鍵標準，例如對象大小、反射率、與對象的距離，以及自動(dòng)駕駛系統行進(jìn)的速度。

 

這可以為組件選擇提供依據，使系統設計在出色性能、成本和需要的功能之間達成平衡，以便大幅提高首次設計成功的可能性。

 

 

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