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來源：Digi-Key 激光雷達(dá) (LiDAR) 與汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域有著最廣泛的聯(lián)系，那里的夢想家相信它可以幫助實(shí)現(xiàn)未來無人駕駛。具體從原理上來說，數(shù)字控制光學(xué)信號從三維掃描儀器中發(fā)射出去，并由儀器進(jìn)行反射信號檢測，以分析環(huán)境并協(xié)助開發(fā)日益先進(jìn)的輔助駕駛系統(tǒng) (ADAS)。這些夢想家的想法是正確的，盡管現(xiàn)在的實(shí)現(xiàn)方式與經(jīng)典的“咖啡罐”方法大相徑庭（圖 1）。 
圖 1：汽車 LiDAR 傳感器是 ADAS 的關(guān)鍵部件，盡管它們已經(jīng)從最初的咖啡罐得到了極大的提升。（圖片來源：Research Gate） 早期的開發(fā)者認(rèn)為，360 度的畫面才是王道，但這種方案有點(diǎn)貴，使其無法全面商用�，F(xiàn)在看來，汽車應(yīng)用只需要在前進(jìn)方向、需要時(shí)在后面方向以及偶爾在左右兩邊進(jìn)行地圖定位的能力，這為更經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)打開了大門。 但我想說的是另一個(gè)問題。僅僅關(guān)注汽車系統(tǒng)對 LiDAR 的潛力是不公平的，所以讓我們從 LiDAR 的整體角度出發(fā)，從了解其工作原理開始。 跨阻放大器主導(dǎo)著 LiDAR 的核心 LiDAR 的關(guān)鍵是測量光學(xué)信號的飛行時(shí)間 (ToF)，即從信號發(fā)射到它從物體上反射回來的時(shí)間。該技術(shù)通過一串從激光驅(qū)動(dòng)器發(fā)送到激光二極管的數(shù)字信號來實(shí)現(xiàn)，效果非常好。LiDAR 系統(tǒng)尋找的是信號邊緣而不是信號頻率（圖 2）。這種檢測方法依賴于一個(gè)好的跨阻放大器 (TIA)。
圖 2：激光二極管發(fā)出數(shù)字光脈沖，TIA 捕捉到返回的脈沖。（圖片來源：Analog Devices Inc./Maxim Integrated） 在圖 2 中，LiDAR 信號接收電路包括一個(gè) Analog Devices/Maxim Integrated MAX40660 高帶寬 TIA 和一個(gè) Analog Devices Inc./Maxim Integrated MAX40025 280 皮秒 (ps) 高速比較器 (COMP)，具有超低消散。 MAX40660 構(gòu)成了光距離測量鏈的接收器環(huán)節(jié)。它是為汽車 LiDAR 設(shè)計(jì)的，因此除了低噪聲、高增益和低群延遲外，還具有從過載中快速輸出恢復(fù)、輸入電流鉗位能力，以及 2.1 皮安培 (pA) 的輸入?yún)⒖荚肼暶芏取Ｋ哂锌赏ㄟ^引腳選擇的 25 千歐 (kΩ) 和 50 kΩ 的跨阻，以及 490 兆赫 (MHz)（典型值）的寬帶寬，輸入電容為 0.5 皮法拉 (pF)。 該光學(xué)檢測系統(tǒng)的前端基本上是一個(gè)光電探測器，依靠精心的設(shè)計(jì)選擇和最佳實(shí)踐的實(shí)現(xiàn)來有效地捕捉光學(xué)信號。這就形成一個(gè)具有獨(dú)特帶寬和噪聲規(guī)格的 TIA，從而實(shí)現(xiàn)固定或移動(dòng)物體的檢測。MAX40660 TIA 的寬帶寬可捕捉不同的物理?xiàng)l件細(xì)節(jié)，其低噪聲特性降低了失真程度。 MAX40025 高速 COMP 則充當(dāng)一個(gè)單比特的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。25 皮秒 (ps) 下的過驅(qū)消散極低，使得該比較器成為 ToF 距離測量應(yīng)用的理想選擇。使用 MAX40025 時(shí)，TIA 光信號可在比較器典型的 280ps 傳播延遲下轉(zhuǎn)換為干凈的 "1" 或 "0"。 根據(jù)行進(jìn)的距離，照射在 D1 上的光線可能是明亮的或暗淡的。此外，大氣中可能有污染物，且會(huì)進(jìn)一步混淆系統(tǒng)，因此可能有干擾的幻影光。 為了抵消這些影響，在現(xiàn)實(shí)世界中 LiDAR 系統(tǒng)需要運(yùn)用多個(gè)學(xué)科技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)有效使用。汽車應(yīng)用需要融合 LiDAR、雷達(dá)和攝像傳感器系統(tǒng)。用無人機(jī)和 GPS 進(jìn)行測繪，為研究人員和工程師提供三維圖像細(xì)節(jié)，從而為建筑項(xiàng)目奠定基礎(chǔ)。水深測量或海底 LiDAR 測繪則可確定水下結(jié)構(gòu)的位置。這些應(yīng)用，以及其他許多應(yīng)用，都有自己的 LiDAR 建構(gòu)要求。 LiDAR 和電磁波譜 在圖 2 中光學(xué)系統(tǒng)的前端，在進(jìn)行信號計(jì)時(shí)時(shí)，光電二極管 D2 用于感應(yīng)發(fā)出的光，而 D1 則感應(yīng)返回的光。這種電磁光信號可以跨越紫外線到紅外線（圖 3）。
圖 3：電磁波譜是電磁輻射的范圍，其中只有極小部分是在可見范圍內(nèi)。（圖片來源：Cosmos） 大多數(shù) LiDAR 系統(tǒng)使用紅外激光系統(tǒng)，其 D1 和 D2 使用雪崩銦鎵砷硅二極管，其光學(xué)波長為 1310 納米 (nm) 至 1550 nm。當(dāng)然，也有使用可見光信號的 LiDAR 系統(tǒng)。 結(jié)語 LiDAR 應(yīng)用廣泛，對于汽車應(yīng)用來說，LiDAR 是其實(shí)現(xiàn)日益直觀的 ADAS 和最終完全自動(dòng)駕駛能力的關(guān)鍵因素。隨著技術(shù)提升，圍繞 LiDAR 的支持器件的要求持續(xù)變得更加嚴(yán)格。正如本文所討論的，基于 MAX40660 高帶寬 TIA 和 MAX40025 280 ps 高速比較器的 LiDAR 信號接收電路可以構(gòu)成堅(jiān)實(shí)的汽車 LiDAR 前端基礎(chǔ)。 |
