LiDAR 如何在汽车应用中实现深度感测？

LiDAR 的全称是 Light Detection and Ranging（激光探测及测距），是一种利用激光感测距离的方法，它会测量激光从物体反射回来所用的时间而达到测距的目的。根据具体应用，可以使用不同的波长，但最常用的是红外线 (IR)。

大多数时候，人脑擅长推断物体的相对深度/距离和大小，这是人类的一种本能，尤其是在驾驶车辆时。但成像系统却很难做到这一点，尤其是标准图像传感器是用 2D 图像表示 3D 场景。在类似于人眼的立体布局中使用两个图像传感器，能够提取深度数据，但测距精度有限，并且会受到环境光线的影响。使用 LiDAR 获得深度数据就可以在不依赖光线条件的情况下实施测量，并消除图像的模糊问题，从而做到场景中区分及理解不同物体。将发射到物体后反射回来的光脉冲与精准定时测量相结合，可以计算出物体的距离。

LiDAR 在汽车领域的应用十分广泛，尤其是用于 SAE 级别为 L3~L5 的半自动驾驶车辆，例如感测车辆周围的物体、在高速公路上看到数百米外的前方。除了汽车行业，LiDAR 在其他需要自主感知的领域也有着非常广泛的应用。例如，应用于以高精度快速生成可处理的 3D 深度图的户外应用情景；农业领域使用 LiDAR 测量田地或土地，绘制地图、评估作物状况；智能工厂在自动引导车 (AGV) 上使用 LiDAR，运输原材料进行加工，并将成品运送到发货区。

LiDAR 的类型

最常见的 LiDAR 类型是直接飞行时间（dToF）系统，其背后的原理非常简单：测量光脉冲到达目标并返回传感器所用的时间。光速是一个已知的物理常数，因此计算发射器/探测器和反射目标之间的距离十分简单。
该技术通常使用由光源（最常见的是激光器）发射的单个非常短的脉冲，发射同时会激活一个精确的计时器。当光脉冲击中范围内的物体时，它将反射回到通常与激光器并置排列的高灵敏度光传感器。一旦探测到返回脉冲，计时器就停止计时，这时可读取到达物体并返回所用的时间。 只要知道从发送脉冲到收到回波经过的时间 (t)，使用光速常数 (c) 计算到目标物体的距离 (D) 就很简单了。

dTOF 可测量光到达目标并返回所需的时间

 
dToF 方法快速有效，可以测量多个回波，因此能够探测 LiDAR 视野内的多个物体。它能够用于远程和近程 (0.1m~300m) 应用，并且在整个范围内保持稳定的高精度。

另一种 LiDAR 方法称为间接飞行时间（iToF），同样使用来自激光的连续光波。这种方法不会直接测量经过的 ToF，而是根据已发射和已接收波形之间的相位差来确定 ToF。

iToF 技术更适合相对短的距离测量 (＜10m)，尤其是光线条件没有室外那么具有挑战性的室内应用，室外的对比度通常要高得多。该技术只能探测到最强的回波，因此只能探测单个物体。

第三种 LiDAR 是调频连续波（FMCW），适合近程和远程测距。该技术用可调谐激光器来产生连续光波，所产生的光波将在探测器处与反射光混合。这种混合可在本地波形和反射波形之间产生拍频，由此计算出物距和方向速度。

虽然 FMCW 既有出色的测距性能，还能捕获方向速度信息，但由于要使用带有偏振控制的可调谐激光器，并且依赖短波红外波长（要求激光器和探测器使用特殊半导体），这种 LiDAR 系统的总体成本大大增加。

“波长大辩论”

围绕 LiDAR 最有争议的话题之一是使用哪种波长。IR 的使用优先于可见光，因为背景 IR 要少得多，所得信噪比 （SNR） 更好，从而使探测返回光变得更加容易。

IR 光谱范围内有多个合适的波长，包括近红外（NIR） 光谱（850nm、905nm、940nm）和短波红外（SWIR）光谱（1350nm、1550nm）。决定具体使用哪种波长是“波长大辩论”的关键议题，有三个最重要的标准需要考虑，分别是系统的性能、是否有合适的组件和系统的总体成本。

探测器是任何 LiDAR 系统中最基本的组件之一。CMOS 硅基探测器可探测到波长在400nm至1000nm范围内的光，因此其对可见光和NIR光敏感，但不能感测 SWIR光。为了探测 SWIR 光，就必须使用InGaAs合金等III/V族半导体，与硅相比，InGaAs合金非常昂贵。

组件可用性是另一个考虑因素，尤其是就激光发射器而言。边缘发射激光器 （EEL）正逐渐为垂直腔面发射激光器 （VCSEL）所取代，后者更容易封装成阵列，并且在整个温度范围内波长稳定。虽然 VCSEL 目前的能效较低，价格也较高，但随着它们应用范围的不断拓展，这种情况有望得到改善。

基于 LiDAR 的深度感测方法比较

尽管SWIR EEL有多家供应商，但目前SWIR VCSEL只有一家供应商，而 NIR VCSEL 也有多家供应商。因此，选择 NIR 更有可能提高供应链的安全性。

除此之外，探测范围很重要，因为这能够增加可用的反应时间，从而提高安全性。但激光过强会伤害眼睛，因此IEC 60825规定了1ns激光脉冲的最大容许照射量（MPE）。

虽然NIR必须具有较低的MPE，但如果脉冲宽度缩短，则可以提高激光功率，而由于使用灵敏的探测器，可以达到最长300m的测距范围。在天气好的时候，SWIR 的测距范围将超过NIR，但是SWIR更容易受到湿气（如雨或雾）的不利影响，因此基于NIR的系统的性能下降速度将低于SWIR系统，从而可以在各种天气条件下提供更一致的性能。

基于以上所述，通常认为NIR是汽车LiDAR的首选波长。NIR 使得感测可以使用硅基器件，而不是InGaAs等更加昂贵的材料。可能更重要的是，相关组件可以从多个供应商处获得，有助于建立起更强大的供应链。虽然NIR和SWIR在工作时都能够确保人眼安全，但NIR在使用较低功率激光的同时，仍然能够满足汽车 LiDAR的要求。

从商业角度来看，NIR的成本要低得多，而成本一直是汽车应用方面的一个重要考虑因素。IHS Markit的一项调查（Amsrud，2019）显示，激光器和探测器的每通道成本约为 4 至 20 美元，而对于类似的SWIR系统，每通道成本约为 275 美元。即使有了进一步发展、容量增加，但预计 NIR 的成本仍将比 SWIR 低 10~100 倍。

LiDAR 构成技术

任何 LiDAR 系统最重要的元件之一是可捕获和量化反射激光的感测元件。虽然可以使用多种技术来实现这一点，但硅光电倍增器（SiPM）通常表现最好，这主要是因为它能够以近似 1,000,000 数量级的高增益来探测单个光子。

因此，近年来 SiPM 的应用越来越广泛，已然成为 LiDAR 深度感测应用的首选传感器。与雪崩光电二极管（APD）等传统探测器（不仅增益低得多，还需要对传入信号进行积分）相比，这些器件能够在高对比度条件下为长距离测距提供高SNR 性能。其他优势包括电源偏置更低、均匀性更好，以及对温度变化的灵敏度降低等，使得SiPM成为使用APD的系统的理想升级选项。SiPM灵敏度更高，可以使用小封装光模块，因此使LiDAR更容易集成到车辆中。由于SiPM采用高容量 CMOS工艺生产，这些高性能器件的探测器成本最低，进一步推动了LiDAR的普及。

结语

LiDAR是一项有着重要意义的技术，因为它的扫描系统能够快速准确地确定深度，既可以进行单点扫描，也可以绘制物体或大型场地的 3D 图。在规划 LiDAR 设计时，关键是要决定使用哪种 IR 光波长。综合考量性能、是否有合适的组件和商业因素，NIR 通常是首选。在大多数 LiDAR 实现过程中，激光光源可能相对简单，但探测器的选择对系统性能有很大影响。

作者：Joseph Notaro，安森美全球汽车战略和业务拓展副总裁

来源：荣格-《国际汽车设计及制造》


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