自动驾驶与安全、高性价比LiDAR系统的设计挑战

随着汽车智能化的发展，越来越多的车辆搭载了自动驾驶技术。2020年2月，国家发展改革委员会等11部委联合印发了《智能汽车创新发展战略》，提出了2025年实现有条件智能驾驶汽车的规模化生产（L3级别），2035年全面将建成中国标准的智能汽车体系的愿景。据前瞻技术研究院的数据显示，2019 年国内自动驾驶市场规模为 1125 亿元，预计至 2023 年可达 2381 亿元，年复合增长率达到 20%。

事实上，自动驾驶、或者说ADAS(高级驾驶辅助系统)的本质是汽车与环境的对话，这意味着要将来自不同类型传感器的输入组合在一起，从而为各种自动驾驶解决方案提供大量数据。目前有大量景深测量技术可以实现这些应用：超声波器件最为经济高效，但其范围、分辨率和可靠性都很有限；雷达的检测范围和可靠性得到大幅提升，但它的角分辨率存在限制；立体视觉的计算成本非常高，而且如果不能妥善校准，则精度非常有限；激光雷达（LiDAR）系统一般体积大，成本高，却能凭借出色的角分辨率和较低的算法处理在长探测距离下实现精准测距，涉及到高精地图、实时定位以及障碍物检测等多项技术应用方面都离不开LiDAR。目前，包括ADI在内的许多公司都致力于开发更加精准、功耗低、尺寸小，且更加经济高效的LiDAR传感器。

全自动驾驶需要采用传感器融合策略

安全、高性价比LiDAR系统的设计挑战

设计LiDAR系统时会面临一些技术挑战，主要挑战之一就是近红外波长要保持在人眼安全限值之下。目前存在多种不同的LIDAR系统技术，设计复杂程度各不相同，各有其优点和缺点，但所有设计需要关注的基础方面都相同。

LiDAR系统设计要确定系统对小目标的探测能力，在多少远处能探测到多低反射率的多小尺寸的目标。同时这也就定义了系统需要的角分辨率。由此可以计算得出可达到的最小信噪比(SNR)，该最小信噪比就决定了系统探测的检测概率与误检概率。

了解感知环境和必要的信息量，作出适当的设计权衡，从而开发出成本和性能最佳的解决方案。一般来说，高速应用需要采用检测距离更长的LiDAR系统。

分辨率是LiDAR系统设计中的另一个重要系统特性。精细的角度分辨率使LiDAR系统能够从某一个被测目标接收到多个像素的回波信号。

1°水平分辨率的32线扫描LIDAR系统

为能安全的自动行驶，不仅方位角需要高分辨率，有时候还需要俯仰角高分辨率。

一旦确定下来自动驾驶设备的速度与行驶场景，需要探测目标的性质以及要达到的性能，就可以构建符合其应用的LiDAR系统构架。ADI丰富的高性能信号链和电源管理组件产品系列会提供所需的构建块，帮助设计存在不同限制（例如尺寸和成本）的系统。

使用分立元件的LiDAR系统

高度可配置评估系统辅助实施LiDAR设计

ADI曾于2019年6月宣布与First Sensor合作开发LiDAR产品，以加快实现自动驾驶未来。First Sensor拥有超过25年的LiDAR 光电二极管（APD）制造经验，APD是将光转换为光电流的高度敏感的探测器阵列，优化其与ADI自身的跨阻放大器(TIA)之间的互联对本底噪声和所能实现的带宽有非常关键的影响。对这两个参数的改善将直接转换为LIDAR系统的更高性能，使该系统可在更远的距离以更高的精度检测到对象。

在年初举办的CES2020上，ADI公司就展示了基于上述合作开发的16通道、完整纯闪光式LiDAR评估系统。该评估系统以ADI的ADAL6110-16为核心，这是一款低功率、16通道的集成式LiDAR信号处理器(LSP)。该器件为相关的照明区域提供时序控制和对接收的波形采样的时序，且能对获取的波形实施数字化。ADAL6110-16集成了高灵敏度的模拟元件，可以帮助降低本底噪声，使系统能够捕获能量很低的回波信号。相对于采用类似信号链的分立式元件方案，使用集成信号链可以减小LIDAR系统设计的尺寸大小、重量和功耗。

使用集成式16通道ADAL6110-16的EVAL-ADAL6110-16 LiDAR评估模块

这款LiDAR信号处理器从所有16通道捕捉数据并数字化创建出要在黑胶处理器上处理的波形。该系统完全独立，通过USB线缆供电，需要的功率不超过2.5W。

满足个性化设计需求的紧凑型固态LiDAR系统

LiDAR正在发展为经济高效的紧凑型固态设计，可以放置在车辆周边的多个位置，以支持完整的360˚覆盖范围，是当今机器人出租车(robo-taxi)测试车辆采用的主要感知传感器之一。此外，LiDAR系统已经出现在高端豪华零售汽车中，如奥迪A8，该车型的半自动驾驶功能在60 km/h时速以下可激活短程传感系统。

作为ADI公司自动驾驶车辆感知检测战略的关键支柱，LiDAR利用光脉冲，可以切实可信地将物理世界实时转换为3D数字图像。目前，集成在测试车辆上的传统LiDAR系统价格高昂。此外，它们可能不太美观并且包含可能导致系统停机的机械组件。ADI公司在真正非机械式且经济高效的LiDAR技术上进行了大量投资，以促进汽车LiDAR系统的采纳成为主流，并使汽车供应商和OEM能够在客车中部署基于LiDAR的ADAS和自动驾驶应用。ADI公司拥有丰富的高性能信号链和电源管理元件，可用于构建几乎任何LiDAR系统。这些产品适用于脉冲或FMCW/连续波系统，以及构建在900 nm至1500 nm波长范围内的系统。

ADI公司的AD-FMCLIDAR1-EBZLiDAR开发解决方案系统架构

AD-FMCLIDAR1-EBZ 是ADI经过实践检验的1D非扫描 LiDAR开发模块硬件平台，它可以灵活地满足个性化设计需求，缩短产品上市时间，并降低 LiDAR 开发的复杂性。它包括可在客户设计中集成的开源软件框架以及 Matlab 和 Python 的包装器。通过 FMC 连接器与 FGPA 配对后，可用于 LiDAR 软件和算法开发。在开发软件和算法的同时，可以利用硬件设计实现产品化。

ADI LiDAR 客户原型设计平台

总结

过去25年来，ADI公司一直致力于汽车安全和ADAS发展。现在，ADI正在为自动驾驶的未来奠定基础。ADI公司目前围绕高性能雷达和激光雷达等领域的卓越积累，提供高性能传感器和信号/功率链解决方案。这些解决方案不仅将大幅提高ADAS系统的性能，而且还将降低整个平台的实施成本，从而加快我们迈向自动驾驶的步伐。

来源：传感器技术”

责任编辑：PSY

原文标题：多样化LiDAR系统设计实现自动驾驶传感器融合策略完美闭环

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