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來(lái)源：Digi-Key 激光雷達 (LiDAR) 與汽車(chē)設計領(lǐng)域有著(zhù)最廣泛的聯(lián)系，那里的夢(mèng)想家相信它可以幫助實(shí)現未來(lái)無(wú)人駕駛。具體從原理上來(lái)說(shuō)，數字控制光學(xué)信號從三維掃描儀器中發(fā)射出去，并由儀器進(jìn)行反射信號檢測，以分析環(huán)境并協(xié)助開(kāi)發(fā)日益先進(jìn)的輔助駕駛系統 (ADAS)。這些夢(mèng)想家的想法是正確的，盡管現在的實(shí)現方式與經(jīng)典的“咖啡罐”方法大相徑庭（圖 1）。 
圖 1：汽車(chē) LiDAR 傳感器是 ADAS 的關(guān)鍵部件，盡管它們已經(jīng)從最初的咖啡罐得到了極大的提升。（圖片來(lái)源：Research Gate） 早期的開(kāi)發(fā)者認為，360 度的畫(huà)面才是王道，但這種方案有點(diǎn)貴，使其無(wú)法全面商用�，F在看來(lái)，汽車(chē)應用只需要在前進(jìn)方向、需要時(shí)在后面方向以及偶爾在左右兩邊進(jìn)行地圖定位的能力，這為更經(jīng)濟的設計打開(kāi)了大門(mén)。 但我想說(shuō)的是另一個(gè)問(wèn)題。僅僅關(guān)注汽車(chē)系統對 LiDAR 的潛力是不公平的，所以讓我們從 LiDAR 的整體角度出發(fā)，從了解其工作原理開(kāi)始。 跨阻放大器主導著(zhù) LiDAR 的核心 LiDAR 的關(guān)鍵是測量光學(xué)信號的飛行時(shí)間 (ToF)，即從信號發(fā)射到它從物體上反射回來(lái)的時(shí)間。該技術(shù)通過(guò)一串從激光驅動(dòng)器發(fā)送到激光二極管的數字信號來(lái)實(shí)現，效果非常好。LiDAR 系統尋找的是信號邊緣而不是信號頻率（圖 2）。這種檢測方法依賴(lài)于一個(gè)好的跨阻放大器 (TIA)。
圖 2：激光二極管發(fā)出數字光脈沖，TIA 捕捉到返回的脈沖。（圖片來(lái)源：Analog Devices Inc./Maxim Integrated） 在圖 2 中，LiDAR 信號接收電路包括一個(gè) Analog Devices/Maxim Integrated MAX40660 高帶寬 TIA 和一個(gè) Analog Devices Inc./Maxim Integrated MAX40025 280 皮秒 (ps) 高速比較器 (COMP)，具有超低消散。 MAX40660 構成了光距離測量鏈的接收器環(huán)節。它是為汽車(chē) LiDAR 設計的，因此除了低噪聲、高增益和低群延遲外，還具有從過(guò)載中快速輸出恢復、輸入電流鉗位能力，以及 2.1 皮安培 (pA) 的輸入參考噪聲密度。它具有可通過(guò)引腳選擇的 25 千歐 (kΩ) 和 50 kΩ 的跨阻，以及 490 兆赫 (MHz)（典型值）的寬帶寬，輸入電容為 0.5 皮法拉 (pF)。 該光學(xué)檢測系統的前端基本上是一個(gè)光電探測器，依靠精心的設計選擇和最佳實(shí)踐的實(shí)現來(lái)有效地捕捉光學(xué)信號。這就形成一個(gè)具有獨特帶寬和噪聲規格的 TIA，從而實(shí)現固定或移動(dòng)物體的檢測。MAX40660 TIA 的寬帶寬可捕捉不同的物理條件細節，其低噪聲特性降低了失真程度。 MAX40025 高速 COMP 則充當一個(gè)單比特的模數轉換器 (ADC)。25 皮秒 (ps) 下的過(guò)驅消散極低，使得該比較器成為 ToF 距離測量應用的理想選擇。使用 MAX40025 時(shí)，TIA 光信號可在比較器典型的 280ps 傳播延遲下轉換為干凈的 "1" 或 "0"。 根據行進(jìn)的距離，照射在 D1 上的光線(xiàn)可能是明亮的或暗淡的。此外，大氣中可能有污染物，且會(huì )進(jìn)一步混淆系統，因此可能有干擾的幻影光。 為了抵消這些影響，在現實(shí)世界中 LiDAR 系統需要運用多個(gè)學(xué)科技術(shù)才能實(shí)現有效使用。汽車(chē)應用需要融合 LiDAR、雷達和攝像傳感器系統。用無(wú)人機和 GPS 進(jìn)行測繪，為研究人員和工程師提供三維圖像細節，從而為建筑項目奠定基礎。水深測量或海底 LiDAR 測繪則可確定水下結構的位置。這些應用，以及其他許多應用，都有自己的 LiDAR 建構要求。 LiDAR 和電磁波譜 在圖 2 中光學(xué)系統的前端，在進(jìn)行信號計時(shí)時(shí)，光電二極管 D2 用于感應發(fā)出的光，而 D1 則感應返回的光。這種電磁光信號可以跨越紫外線(xiàn)到紅外線(xiàn)（圖 3）。
圖 3：電磁波譜是電磁輻射的范圍，其中只有極小部分是在可見(jiàn)范圍內。（圖片來(lái)源：Cosmos） 大多數 LiDAR 系統使用紅外激光系統，其 D1 和 D2 使用雪崩銦鎵砷硅二極管，其光學(xué)波長(cháng)為 1310 納米 (nm) 至 1550 nm。當然，也有使用可見(jiàn)光信號的 LiDAR 系統。 結語(yǔ) LiDAR 應用廣泛，對于汽車(chē)應用來(lái)說(shuō)，LiDAR 是其實(shí)現日益直觀(guān)的 ADAS 和最終完全自動(dòng)駕駛能力的關(guān)鍵因素。隨著(zhù)技術(shù)提升，圍繞 LiDAR 的支持器件的要求持續變得更加嚴格。正如本文所討論的，基于 MAX40660 高帶寬 TIA 和 MAX40025 280 ps 高速比較器的 LiDAR 信號接收電路可以構成堅實(shí)的汽車(chē) LiDAR 前端基礎。 |
