用于自动驾驶汽车的LiDAR传感器

几年后，你可能会召唤一辆自动驾驶汽车来接你并开车送你去上班。当您在旅途中处理电子邮件或小睡时，您相信汽车的传感器和摄像头会安全准确地将其引导至您的目的地。

为了有效，自动驾驶汽车的能力必须超过人类驾驶员的能力。这怎么可能？这些车辆如何在光明、黑暗、恶劣的天气条件下，以及进一步突破极限，在黑暗和恶劣的天气中看到？建立可靠的自动驾驶能力需要设计一个结合了各种传感器和计算的检测系统……一个比人类更能“看到”车辆环境的系统。

该系统设计多样性的关键在于不同的传感器类型、冗余和重叠传感器，以提高汽车的视觉精度。主要的自动驾驶车辆传感器是摄像头、雷达和 LiDAR（光成像、检测和测距）（图 1）。通过技术融合电子技术，这些不同的传感器协同工作，通过检测视野中物体的形状、速度和距离，为汽车提供视觉周围地图。单个传感器的技术融合大于每个单个传感器的总和。

图 1. 自动驾驶汽车需要多组“眼睛”，由摄像头、雷达和 LiDAR 传感器提供。

在图 1 中，摄像头（蓝色）通过“看到”所有颜色来给人类乘员一种自信的感觉。输入摄像头数据通过提供无与伦比的视觉细节添加到自动驾驶汽车的地图中。雷达信号在恶劣天气下有效运行，增加了人类可能无法提供的维度。LiDAR 使用短脉冲和“外观”的光并计算反射时间。将所有三个数据输出结果与板载处理器相结合。

相机会说谎吗？

相机创造了世界的视觉表现。自动驾驶汽车依赖于前后左右的摄像头，因此可以实现 360 度全景。一些相机具有较宽的视野（120 度），适用于较短的范围。其他人则专注于狭窄的视野，提供远距离的视觉效果。有些汽车配备鱼眼摄像头，可提供全景视图，从而全面了解车辆后方的情况。

尽管相机可以提供准确的视觉效果，但它们也有其局限性。它们区分周围环境的细节；但是，距离确定需要二维才能开始计算准确位置。我想每辆车都可以有两个摄像头，就像两只眼睛专注于人类感兴趣的项目，但这可能是多余且无效的，因为我们将为自动驾驶汽车的技术融合处理添加其他传感器。另一个关键的缺点是，基于摄像头的传感器难以检测低能见度条件下的物体，如雨中、雾中或夜间。

雷达测绘

雷达传感器补充了低能见度相机。雷达从一开始就用于飞机、气象编队和探测船只。该技术以脉冲形式传输无线电波。一旦波击中物体，它们就会反弹并返回接收器。这提供了速度和位置对象数据。

雷达传感器也在汽车周围，从各个角度检测物体。虽然这种传感器技术可以确定速度和距离，但它无法区分不同的车辆类型。雷达和摄像头传感器共同提供的数据足以实现较低级别的自主性，但它们并不能涵盖所有情况，也不能满足人类的经验。这就是我们需要激光雷达的原因。

使用 LiDAR 传感器聚焦

LiDAR 是执行自动车辆距离感测的关键光学技术。激光雷达传感器有助于完成图片。用于汽车应用的 LiDAR 性能高度依赖于光学前端以及信号如何通过信号链传输然后进行处理。

LiDAR 传感器通过脉冲激光和计算返回信号的时间来测量距离。LiDAR 为自动驾驶汽车提供 3D 视图。返回的信号为周围的汽车和行人提供形状和深度。与雷达一样，激光雷达在弱光条件下工作。

为什么跨阻放大器对 LiDAR 至关重要

在 LiDAR 应用中，跨阻放大器 （TIA）具有独特的带宽和噪声规格，是信号链的核心，可以准确检测固定或移动物体。一个有效的 TIA 必须具有足够宽的带宽来捕捉不同道路条件下的所有细节，并且噪声尽可能低以避免接收到的信号失真。

Maxim 具有跨阻放大器 （TIA1），当与雪崩光电二极管配合使用时，可感应返回光。信号通过比较器 （COMP1） 进一步调节。如图 2中的示意图所示，该图描绘了车辆的激光/接收器系统，TIA2 和 COMP2 提供了初始激光传输时间。该系统由多个光电二极管、一个激光二极管和支持电子设备组成，用于传输和接收光信号。

图 2. 带有 TIA 和 COMP 光接收器系统的 LiDAR 系统。

在图 2 中，激光驱动器向物体发起激光脉冲传输。激光传播到玻璃板，玻璃板将激光信号反射回 MCU 以确定初始传输时间并通过发射器光学器件（指定的透镜）。发射的脉冲到达物体并反射到 D 1，TIA1 接收器系统。一旦通过接收器光学器件和镜面反射，光就会撞击到 InGaAs 光电二极管 （D 1 ），这是一种具有 1310nm 到 1550nm 光灵敏度带宽的高灵敏度半导体电子器件。

D 1上的光线可能很亮，也可能很暗，具体取决于行进的距离。此外，大气中可能存在污染物，并且为了混淆系统，可能存在干扰幻象灯。D PIN2将光转换为安培电流 （I D1 ），该电流在跨阻放大器 #2 （TIA1） 上传播。

TIA（MAX40660或MAX40661）和 COMP（MAX40025或MAX40026）是 LiDAR 信号接收器电路的组成部分。MAX40660 和 MAX40661 是用于 LiDAR 应用中的光学测距接收器的 TIA。

图 3. 用于汽车 LiDAR 的 MAX40660/MAX40661 跨阻放大器（TIA1 和 TIA2）。

低噪声、高增益、低群延迟和从过载中快速恢复使这些 TIA 适用于距离测量应用。重要特性包括 2.38pA 输入参考噪声密度、内部输入钳位、引脚可选的 25kΩ 和 50kΩ 跨阻，MAX40660 具有 0.5pF 输入电容和 25kΩ 跨阻的 490MHz 宽带宽，以及 10pF 输入电容 MAX40661 的 160MHz 带宽。

MAX40025和MAX40026是稳定TIA光信号的比较器（COMP）。这些器件是高速比较器，典型传播延迟为 280ps。

图 4. 用于汽车 LiDAR 的 MAX40025/MAX40026 高速比较器（COMP1 和 COMP2）。

MAX40025 封装采用 1.218mm x 0.818mm、6 凸点晶圆级封装 （WLP），而 MAX40026 采用 2mm x 2mm 8 引脚 TDFN 侧面可湿性封装，符合 AEC-Q100 汽车认证要求。

概括

摄像头、雷达和激光雷达系统的技术融合为自动驾驶汽车创造了一个接近人类的视觉系统。尽管这三个传感器提供不同的数据和信息，但自动驾驶汽车的计算能力将这三个视角融合在一起。本文特别关注光学前端操作，展示了 LiDAR 如何成为三人组中的强者。突出显示的 LiDAR 就绪 TIA 和比较器提供了前所未有的系统精度水平。有了这种准确性，人们应该对自动驾驶汽车的能力更有信心，这可能很快会让你的通勤变得更有效率或更轻松。

审核编辑：郭婷