幾年后，你可能會召喚一輛自動駕駛汽車來接你并開車送你去上班。當(dāng)您在旅途中處理電子郵件或小睡時(shí)，您相信汽車的傳感器和攝像頭會安全準(zhǔn)確地將其引導(dǎo)至您的目的地。

為了有效，自動駕駛汽車的能力必須超過人類駕駛員的能力。這怎么可能？這些車輛如何在光明、黑暗、惡劣的天氣條件下，以及進(jìn)一步突破極限，在黑暗和惡劣的天氣中看到？建立可靠的自動駕駛能力需要設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)合了各種傳感器和計(jì)算的檢測系統(tǒng)……一個(gè)比人類更能“看到”車輛環(huán)境的系統(tǒng)。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)多樣性的關(guān)鍵在于不同的傳感器類型、冗余和重疊傳感器，以提高汽車的視覺精度。主要的自動駕駛車輛傳感器是攝像頭、雷達(dá)和 LiDAR（光成像、檢測和測距）（圖 1）。通過技術(shù)融合電子技術(shù)，這些不同的傳感器協(xié)同工作，通過檢測視野中物體的形狀、速度和距離，為汽車提供視覺周圍地圖。單個(gè)傳感器的技術(shù)融合大于每個(gè)單個(gè)傳感器的總和。

圖 1. 自動駕駛汽車需要多組“眼睛”，由攝像頭、雷達(dá)和 LiDAR 傳感器提供。

在圖 1 中，攝像頭（藍(lán)色）通過“看到”所有顏色來給人類乘員一種自信的感覺。輸入攝像頭數(shù)據(jù)通過提供無與倫比的視覺細(xì)節(jié)添加到自動駕駛汽車的地圖中。雷達(dá)信號在惡劣天氣下有效運(yùn)行，增加了人類可能無法提供的維度。LiDAR 使用短脈沖和“外觀”的光并計(jì)算反射時(shí)間。將所有三個(gè)數(shù)據(jù)輸出結(jié)果與板載處理器相結(jié)合。

相機(jī)會說謊嗎？

相機(jī)創(chuàng)造了世界的視覺表現(xiàn)。自動駕駛汽車依賴于前后左右的攝像頭，因此可以實(shí)現(xiàn) 360 度全景。一些相機(jī)具有較寬的視野（120 度），適用于較短的范圍。其他人則專注于狹窄的視野，提供遠(yuǎn)距離的視覺效果。有些汽車配備魚眼攝像頭，可提供全景視圖，從而全面了解車輛后方的情況。

盡管相機(jī)可以提供準(zhǔn)確的視覺效果，但它們也有其局限性。它們區(qū)分周圍環(huán)境的細(xì)節(jié)；但是，距離確定需要二維才能開始計(jì)算準(zhǔn)確位置。我想每輛車都可以有兩個(gè)攝像頭，就像兩只眼睛專注于人類感興趣的項(xiàng)目，但這可能是多余且無效的，因?yàn)槲覀儗樽詣玉{駛汽車的技術(shù)融合處理添加其他傳感器。另一個(gè)關(guān)鍵的缺點(diǎn)是，基于攝像頭的傳感器難以檢測低能見度條件下的物體，如雨中、霧中或夜間。

雷達(dá)測繪

雷達(dá)傳感器補(bǔ)充了低能見度相機(jī)。雷達(dá)從一開始就用于飛機(jī)、氣象編隊(duì)和探測船只。該技術(shù)以脈沖形式傳輸無線電波。一旦波擊中物體，它們就會反彈并返回接收器。這提供了速度和位置對象數(shù)據(jù)。

雷達(dá)傳感器也在汽車周圍，從各個(gè)角度檢測物體。雖然這種傳感器技術(shù)可以確定速度和距離，但它無法區(qū)分不同的車輛類型。雷達(dá)和攝像頭傳感器共同提供的數(shù)據(jù)足以實(shí)現(xiàn)較低級別的自主性，但它們并不能涵蓋所有情況，也不能滿足人類的經(jīng)驗(yàn)。這就是我們需要激光雷達(dá)的原因。

使用 LiDAR 傳感器聚焦

LiDAR 是執(zhí)行自動車輛距離感測的關(guān)鍵光學(xué)技術(shù)。激光雷達(dá)傳感器有助于完成圖片。用于汽車應(yīng)用的 LiDAR 性能高度依賴于光學(xué)前端以及信號如何通過信號鏈傳輸然后進(jìn)行處理。

LiDAR 傳感器通過脈沖激光和計(jì)算返回信號的時(shí)間來測量距離。LiDAR 為自動駕駛汽車提供 3D 視圖。返回的信號為周圍的汽車和行人提供形狀和深度。與雷達(dá)一樣，激光雷達(dá)在弱光條件下工作。

為什么跨阻放大器對 LiDAR 至關(guān)重要

在 LiDAR 應(yīng)用中，跨阻放大器 （TIA）具有獨(dú)特的帶寬和噪聲規(guī)格，是信號鏈的核心，可以準(zhǔn)確檢測固定或移動物體。一個(gè)有效的 TIA 必須具有足夠?qū)挼膸拋聿蹲讲煌缆窏l件下的所有細(xì)節(jié)，并且噪聲盡可能低以避免接收到的信號失真。

Maxim 具有跨阻放大器 （TIA1），當(dāng)與雪崩光電二極管配合使用時(shí)，可感應(yīng)返回光。信號通過比較器 （COMP1） 進(jìn)一步調(diào)節(jié)。如圖 2中的示意圖所示，該圖描繪了車輛的激光/接收器系統(tǒng)，TIA2 和 COMP2 提供了初始激光傳輸時(shí)間。該系統(tǒng)由多個(gè)光電二極管、一個(gè)激光二極管和支持電子設(shè)備組成，用于傳輸和接收光信號。

圖 2. 帶有 TIA 和 COMP 光接收器系統(tǒng)的 LiDAR 系統(tǒng)。

在圖 2 中，激光驅(qū)動器向物體發(fā)起激光脈沖傳輸。激光傳播到玻璃板，玻璃板將激光信號反射回 MCU 以確定初始傳輸時(shí)間并通過發(fā)射器光學(xué)器件（指定的透鏡）。發(fā)射的脈沖到達(dá)物體并反射到 D 1，TIA1 接收器系統(tǒng)。一旦通過接收器光學(xué)器件和鏡面反射，光就會撞擊到 InGaAs 光電二極管 （D 1 ），這是一種具有 1310nm 到 1550nm 光靈敏度帶寬的高靈敏度半導(dǎo)體電子器件。

D 1上的光線可能很亮，也可能很暗，具體取決于行進(jìn)的距離。此外，大氣中可能存在污染物，并且為了混淆系統(tǒng)，可能存在干擾幻象燈。D PIN2將光轉(zhuǎn)換為安培電流 （I D1 ），該電流在跨阻放大器 #2 （TIA1） 上傳播。

TIA（MAX40660或MAX40661）和 COMP（MAX40025或MAX40026）是 LiDAR 信號接收器電路的組成部分。MAX40660 和 MAX40661 是用于 LiDAR 應(yīng)用中的光學(xué)測距接收器的 TIA。

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

低噪聲、高增益、低群延遲和從過載中快速恢復(fù)使這些 TIA 適用于距離測量應(yīng)用。重要特性包括 2.38pA 輸入?yún)⒖荚肼暶芏?、?nèi)部輸入鉗位、引腳可選的 25kΩ 和 50kΩ 跨阻，MAX40660 具有 0.5pF 輸入電容和 25kΩ 跨阻的 490MHz 寬帶寬，以及 10pF 輸入電容 MAX40661 的 160MHz 帶寬。

MAX40025和MAX40026是穩(wěn)定TIA光信號的比較器（COMP）。這些器件是高速比較器，典型傳播延遲為 280ps。

圖 4. 用于汽車 LiDAR 的 MAX40025/MAX40026 高速比較器（COMP1 和 COMP2）。

MAX40025 封裝采用 1.218mm x 0.818mm、6 凸點(diǎn)晶圓級封裝 （WLP），而 MAX40026 采用 2mm x 2mm 8 引腳 TDFN 側(cè)面可濕性封裝，符合 AEC-Q100 汽車認(rèn)證要求。

概括

攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)系統(tǒng)的技術(shù)融合為自動駕駛汽車創(chuàng)造了一個(gè)接近人類的視覺系統(tǒng)。盡管這三個(gè)傳感器提供不同的數(shù)據(jù)和信息，但自動駕駛汽車的計(jì)算能力將這三個(gè)視角融合在一起。本文特別關(guān)注光學(xué)前端操作，展示了 LiDAR 如何成為三人組中的強(qiáng)者。突出顯示的 LiDAR 就緒 TIA 和比較器提供了前所未有的系統(tǒng)精度水平。有了這種準(zhǔn)確性，人們應(yīng)該對自動駕駛汽車的能力更有信心，這可能很快會讓你的通勤變得更有效率或更輕松。

審核編輯：郭婷