自动驾驶车辆的激光雷达系统组件

激光雷达系统将在保持自动驾驶汽车对周围环境变化保持警觉的所有传感器套件中扮演至关重要的角色。一些设计师倾向于专注于雷达，因为其明显的复杂性，而且已经有大量研究投入到使用雷达系统的5D成像中。然而，激光雷达和其他视觉系统也能提供周围环境的全景视图，并将在新车中与雷达一起使用。

激光雷达与雷达：哪个更适合新车辆？

说这两者中的任何一个比另一个更好，忽略了在车辆中使用多个传感器的重点。不同的传感器将适用于不同的应用。汽车雷达适用于短（24 GHz）和长（76 GHz）范围内的目标检测和速度测量。与此同时，激光雷达系统使用红外激光脉冲（目前为905 nm，但可能后移至1500 nm）来创建周围环境的地图。连续波激光在相干激光雷达中用于速度测量。

已经设计用于汽车应用的雷达模块可以以低于激光雷达系统的价格点添加到车辆中。许多公司正在探索两种技术的结合使用，以识别目标，创建带有标记目标的环境地图，并构建这些附近目标的图像。然后可以将此数据与计算机视觉算法一起使用，以区分不同的对象。

以下指标用于评估激光雷达系统的性能：

• 空间分辨率（横向和纵向）
• 时间分辨率
• 检测范围
• 扫描速率

这使得激光源（激光本身及其相关电子设备）成为决定性能的最关键部分。首先，具有较低光束发散的激光将具有更高的横向分辨率。输出脉冲能量、发散和波长决定了可用的检测范围。激光驱动器中的定时抖动将决定纵向分辨率。最后，扫描速率决定了时间分辨率，这对于准确的速度测量很重要。关于这些系统中涉及的激光的更多讨论值得单独撰写一篇文章。在这里，我们将看一些示例组件，用于驱动您的激光雷达映射系统和接收反射的激光脉冲。

自动驾驶车辆中传感器生态系统的一瞥

激光雷达系统组件的要求

用于支持激光雷达系统的组件，从较高层面来说，应满足以下基本要求：

• 实时检测。 运行您系统的电子设备应该能够近乎实时地处理数据，类似于ADAS系统中使用的雷达。
• 高脉冲重复率。 这是您的激光器和驱动器的功能。扫描速率需要达到~MHz范围，以便提供360度扫描和高角分辨率。
• 低功耗。 您的激光驱动器应该能够在所需功率输出下提供快速切换，同时消耗尽可能低的功率。
• 高探测器灵敏度。 在所需波长处更高的灵敏度允许您的系统使用较低强度的脉冲。这有助于确保您的系统在提供较长可用范围（期望约300米范围）的同时，能够符合激光安全标准。
• 通道数量。 新型激光雷达系统使用64个源-探测器通道的雪崩光电二极管阵列、PIN二极管阵列或多像素光子计数器。您的系统将需要与这些通道接口，以收集反射脉冲。

让我们来看看构建激光雷达系统时您需要的一些基本组件：

Texas Instruments LM1020

LM1020是一款GaN晶体管，提供高达60 MHz重复率的~1 ns激光脉冲和2.5至4.5 ns的传播延迟。使用GaN高电子迁移率晶体管比激光雷达系统中的硅FET提供了更好的性能。这款GaN FET的漏源电阻大约是等效硅器件的一半，这意味着导通损失大约降低了50%。

激光二极管驱动的简化方框图。来自LM1020数据手册。

Analog Devices LTC6561

LTC6561低噪声跨阻放大器非常适合从雪崩光电二极管阵列复用4个通道。注意，光电二极管阵列通常操作在64个通道；可以组合多个LTC6561模块以接口更多通道。这款集成电路采用4 mm x 4 mm QFN封装，带有暴露的焊盘，用于热管理和低电感。这款跨阻放大器具有低噪声和低功耗：

该放大器具有74kΩ的跨阻增益和30µA的线性输入电流范围。使用总电容为2pF的APD输入电路时，输入电流噪声密度在200MHz时为4.5pA/√Hz。降低电容时，噪声和带宽进一步改善。只需要5V单电源，且该设备仅消耗200mW功率。[来自LTC6561数据手册]

典型应用，包含4个APD通道。来自LTC6561数据手册。

德州仪器 TDC7201ZAXT

由于激光雷达系统使用飞行时间测量来创建周围环境的3D地图，TDC7201ZAXT 时间至数字转换器可用于4厘米至几公里的距离测量，无需在外部处理器中实现。这提供了具有皮秒精度的时间至数字转换。该组件采用4毫米x 4毫米25球nFBGA封装。

激光雷达系统中时间至数字转换的简化方框图。来自TDC7201数据手册。

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