激光雷达及其工作原理

什么是激光雷达(LiDAR)？

激光雷达将雷达测距功能与摄像头角分辨率相结合，用来提供准确的深度感知传感，从而完成图像(图1)。

图1：摄像头、雷达和激光雷达是汽车自动驾驶的三种首选技术。(图片来源：ADI)

视觉部分代表摄像头或驾驶员的可见力、物体分类和横向分辨率。黑暗以及雪、灰尘或雨等天气情况会削弱这些能力。雷达部分代表了射频信号的返回。这种信号不受天气状况和黑暗的影响，同时还可测量距离。激光雷达部分可通过提供进一步的对象分类、横向分辨率、测距和黑暗穿透来完成传感图片。

激光雷达如何工作？

激光雷达系统的基本要素包括方波发射系统、目标环境，以及用来解释环境中外部元素距离的光接收器系统。激光雷达传感方法是采用脉冲激光形式的光，通过分析返回信号的飞行时间(ToF)来测量范围的(图2)。

图2：每个激光雷达发射单元都有一个三角形“视场”。(图片来源：Bonnie Baker)

距离的绘制取决于光数字信号。

数字域中的信号

激光雷达的电路解决方案是通过汽车互跨阻放大器来解决信号接收的问题。其输入级用来接受光电探测器的负向输入电流脉冲(图3)。

图 3：激光雷达的电子部分包括一个激光二极管发射器和两个光电二极管接收器。(图片来源：Bonnie Baker)

激光二极管是通过一块玻璃来传输数字脉冲信号的。该信号也会反射到D2光电二极管上。该信号的处理提供了传输时间及系统中内置的电子延迟。

数字光信号脉冲射到对象后会反射回光学系统。返回的脉冲会镜像到第二个光电二极管D1。D1信号路径的电子部分与D2信号路径相同。两个信号到达微控制器(MCU)后即可计算出飞行时间。

市场快照

汽车激光雷达系统使用脉冲激光来测量两辆车之间的距离。汽车系统利用激光雷达来控制车速和制动系统，从而响应交通状况的突变。激光雷达在碰撞警告和避让系统、车道保持辅助、车道偏离警告、盲点监视器和自适应巡航控制等半自动或全自动汽车辅助功能中起到重要作用。汽车激光雷达正在取代早期汽车自动化系统中的雷达系统。激光雷达系统的测距范围可从几米到1,000米以上。

图4：汽车激光雷达市场分为半自动驾驶和全自动驾驶汽车应用。(图片来源：Allied Market Research)

自动驾驶汽车已被广泛使用，而激光雷达成像系统则将进一步完善这一情况。雷达、摄像头和激光雷达设备目前依旧是半自动驾驶和全自动驾驶所选择的技术，激光雷达的价格也正在下降，市场正在加速这种变革。