人類駕駛汽車已有一百多年歷史，但安全記錄卻不盡如人意。盡管如今的車輛比以往任何時(shí)候都更安全，但在世界許多地區(qū)，汽車事故和傷亡人數(shù)仍在不斷上升。這一趨勢(shì)在一定程度上可歸咎于駕駛員面臨的干擾因素日益增多。

為持續(xù)提升汽車安全性，汽車工程師們引入了高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)，該系統(tǒng)能夠在碰撞發(fā)生前自動(dòng)檢測(cè)并降低碰撞風(fēng)險(xiǎn)。這些系統(tǒng)能夠持續(xù)且同步監(jiān)測(cè)車輛周圍 360 度范圍內(nèi)的所有物體，一旦其中某個(gè)物體構(gòu)成緊迫威脅，系統(tǒng)便會(huì)采取避讓措施。以圖形方式展示了車輛周圍檢測(cè)到的物體。

人類駕駛員一次最多只能留意一個(gè)方向的障礙物，期間還得不時(shí)瞥一眼后視鏡和側(cè)后視鏡，才能了解車輛周邊的情況。而且，人類駕駛員也只能大致估算出附近物體與車輛的距離和速度?；诩す饫走_(dá)的高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)則能利用不可見激光，不僅可以同時(shí)監(jiān)測(cè)車輛周圍的所有物體，還能在不受干擾的情況下準(zhǔn)確地測(cè)定這些物體的距離和速度。

激光雷達(dá)系統(tǒng)早在十多年前就已問(wèn)世，但由于其體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本高昂，一直未能在主流汽車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。就在不久前，激光雷達(dá)系統(tǒng)的價(jià)格還超過(guò) 5 萬(wàn)美元，而且體積龐大，占據(jù)了車頂?shù)拇蟛糠挚臻g。然而，隨著近期元件集成技術(shù)的進(jìn)步，如今激光雷達(dá)模塊的價(jià)格已降至 200 美元以下，與攝像頭和雷達(dá)等其他傳感器技術(shù)的價(jià)格相當(dāng)。如今的激光雷達(dá)模塊體積小巧，能夠靈活且巧妙地安裝在多個(gè)位置，例如擋風(fēng)玻璃后方、前照燈和尾燈內(nèi)，讓車輛外觀設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔流暢。當(dāng)把激光雷達(dá)與攝像頭、雷達(dá)傳感器集成于高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)中時(shí)，該系統(tǒng)便能充分汲取并發(fā)揮這三種傳感器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

攝像頭傳感器技術(shù)能夠“識(shí)別顏色”，這在車輛需要區(qū)分交通路口信號(hào)燈顏色的場(chǎng)景中至關(guān)重要。然而，攝像頭在環(huán)境光線不佳的情況下表現(xiàn)欠佳，并且在惡劣天氣條件下也會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。另一方面，激光雷達(dá)模塊可自行提供照明，在環(huán)境光線不足時(shí)也能良好運(yùn)行。近期，激光雷達(dá)處理技術(shù)取得了一些進(jìn)展，使得部分系統(tǒng)能夠分辨物體顏色的差異。

調(diào)頻連續(xù)波 (FMCW) 激光雷達(dá)架構(gòu)對(duì)霧、雨、雪等惡劣天氣條件具有很強(qiáng)的抗干擾能力。雷達(dá)傳感器在惡劣天氣條件下同樣表現(xiàn)良好，但其固有波長(zhǎng)（工作頻率 77GHz，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為 4mm）限制了其在遠(yuǎn)距離下解析微小特征的能力，難以滿足所需的分辨率要求。激光雷達(dá)系統(tǒng)使用波長(zhǎng)較短的光波（905 nm 至 1550 nm），能夠在超過(guò) 3300m 的距離上以高分辨率感知微小物體。此外，調(diào)頻連續(xù)波 (FMCW) 激光雷達(dá)還能利用多普勒原理同時(shí)測(cè)定物體的距離和速度。

實(shí)現(xiàn)更快、更精確的遠(yuǎn)距離物體探測(cè)

對(duì)于激光雷達(dá)開發(fā)者而言，最大的挑戰(zhàn)之一在于如何實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射，使其既能在遠(yuǎn)距離下精準(zhǔn)探測(cè)物體，同時(shí)又能保證對(duì)人眼的安全性。即便是采用 1550nm 的激光波長(zhǎng)，其傳輸?shù)墓夤β室部赡茏阋詫?duì)人眼造成損傷。

脈沖飛行時(shí)間激光雷達(dá)系統(tǒng)必須發(fā)射出功率強(qiáng)大但持續(xù)時(shí)間較短的激光脈沖，才能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量。大多數(shù)激光驅(qū)動(dòng)器被用于驅(qū)動(dòng)氮化鎵 (GaN) 場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET)，并產(chǎn)生脈沖寬度為幾納秒的電流脈沖。德州儀器 (TI) 的LMH13000 集成激光驅(qū)動(dòng)器無(wú)需外部氮化鎵 (GaN) 場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 或大容量電容器。它能夠驅(qū)動(dòng)激光，其上升和下降時(shí)間小于 800ps，并且在不同溫度下的變化幅度小于 2%，如圖所示。更短的激光脈沖能夠使測(cè)量距離增加多達(dá) 30%。

圖 ：分立式激光驅(qū)動(dòng)器和氮化鎵 (GaN) 場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 與 LMH13000 集成激光驅(qū)動(dòng)器的激光脈沖時(shí)間對(duì)比

LMH13000能夠精確地為激光器提供 50mA 至 5A 的電流，并且多個(gè)并聯(lián)使用的LMH13000器件能夠驅(qū)動(dòng)電流超過(guò) 5A 的激光器。由于這款激光驅(qū)動(dòng)器無(wú)需外部場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 和大容量電容器，與分立式解決方案相比，它能夠?qū)⒓す怛?qū)動(dòng)器電路的尺寸縮小至原來(lái)的四分之一。LMH13000能夠生成短脈沖寬度并實(shí)現(xiàn)電流控制，這使得該系統(tǒng)能夠滿足美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局 (FDA) 的 1 類人眼安全標(biāo)準(zhǔn)。

分立式激光驅(qū)動(dòng)器解決方案在不同溫度下的脈沖持續(xù)時(shí)間變化幅度可能高達(dá) 30%，這使得隨著系統(tǒng)溫度的變化，確保人眼安全變得頗具挑戰(zhàn)性。LMH13000的輸出電流在其工作溫度范圍內(nèi)的變化幅度僅為 2%，這提高了在不同溫度下測(cè)量的可重復(fù)性。

一個(gè)典型的激光雷達(dá)模塊設(shè)計(jì)包含多個(gè)模擬和數(shù)字子系統(tǒng)。圖突出展示了該模塊中的激光信號(hào)生成、光傳感器元件、模擬前端和數(shù)字處理子系統(tǒng)。從激光驅(qū)動(dòng)器電路中去除氮化鎵 (GaN) 場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 和大容量電容器等外部元件，不僅能夠縮減系統(tǒng)體積、優(yōu)化系統(tǒng)性能，還能實(shí)現(xiàn)更高的成本效益。

圖 ：激光雷達(dá)模塊設(shè)計(jì)中的子系統(tǒng)、包括激光信號(hào)生成、光傳感器元件、模擬前端和數(shù)字處理子系統(tǒng)

結(jié)語(yǔ)

在高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)中，激光雷達(dá)有助于車輛在碰撞發(fā)生前自動(dòng)檢測(cè)并降低碰撞風(fēng)險(xiǎn)。隨著 ADAS 性能的提升、成本的降低和體積的減小，未來(lái)有望制造出無(wú)需人類干預(yù)與監(jiān)控，即可自行行駛的主流汽車產(chǎn)品。憑借LMH13000這類器件，設(shè)計(jì)人員能夠更輕松地打造下一代激光雷達(dá)系統(tǒng)，使車輛在任何環(huán)境下都能進(jìn)行感知。