ADAS-激光雷达原理概述

shuizhonghua

“ADAS激光雷达领域厮杀激烈，从最开始的纯机械32/64/128线到现在MEMS振镜半固态激光雷达，再到纯固态Flash补盲雷达，激光雷达在ADAS的需求之下发展的如火如荼。目前国内禾赛、速腾等厂家车规级激光雷达已经批量出货，今天我们揭秘激光雷达神秘的面纱。”



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基本原理

激光雷达本质是一个深度传感器，其测距原理是利用dToF(direct Time of Flight)飞行时间来计算，典型激光雷达点云图如下所示：



相对于dToF直接飞行时间，还有iToF(indirect Time of Flight)，这个我们后面单独开一期文章进行科普。不同于传统的如双目图像来推算三维信息，而是通过红外光在空气中的飞行时间，计算出目标体的距离。

典型的ToF相机原理如下图所示：



ToF相机主动发出红外光，光线遇到物体之后反射到ToF相机，ToF相机通过发射光以及反射光之间时间差，也就是红外光的飞行时间，通过公式来计算物体距离：

d = 1/2?c??t

其中，?t为ToF测试时间，c为光速，d为测试物体距离。

另外，自然界的环境光也会夹杂在反射光中一起反射进入到ToF传感器中，这部分环境光对于真实反射光而言就是噪声，会降低测量的信噪比。

以目前市面上主流激光雷达如禾赛、速腾、Livox等激光雷达转镜方案为例，架构如下所示：



可以看出一个激光雷达模组主要以下部件组成：

转镜 or MEMS振镜：光路折射处理；激光发射器：主动发射红外光源；
镜头：接收转镜反射的激光，过滤杂光；
FPGA信号处理器：信号处理以及雷达控制；dToF Sensor，内部主要器件有：


SPAD：单光子雪崩二极管（Single Photon Avalanche Diode）TDC：时间数字转换器（Time to Digital Convert）

下面就其中的SPAD、TDC以及振镜进行介绍。

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SPAD

dToF深度传感器上，SPAD像素能够检测单个光子，SPAD本质上还是一个二极管，那么它就会有二极管该有的特性。SPAD工作特性曲线如下图所示：


上图来自于索尼官网，可以看出：

击穿电压(VBD)施加到SPAD像素中的电极，通过设置过量偏置电压(VEX)超过VBD到电极，此时SPAD处于工作状态1。当像素被光子击中时，此时SPAD光电转换中产生的电子通过雪崩倍增被放大，SPAD进入状态2。然后，电极间电压降低至击穿电压并且雪崩倍增停止。此时后端收集雪崩倍增产生的电子。电压恢复到击穿电压（淬灭作用）后，再次将电极间电压设为过剩偏置电压，从而能够检测光子（再充电作用）。

整个过程，由光子到达触发的电子倍增称为盖革模式，整个过程电子变化如下所示：


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TDC

TDC是dToF测量精度的关键器件之一，TDC原理是使用环形振荡器，通过级联反向二极管。当输入端给一个初始激励后，处于环形振荡器的每个二极管都会不断改变状态，而这个过程时间延迟很低在ps级别。开始工作后使用一个计数器进行计数便可以知道从激光发射到接收的时间差。TDC的典型硬件原理图如下所示：



每个SPAD像素都会进行多次测量，然后TDC的测量数据存放入Time Bin当中，Time Bin本质就是直方图统计。直方图统计每次测量反射时间的计数，直方图中的峰值即作为当前测量点的反射时间，而直方图中其他数据则为雷达身处环境中噪声，如下所示：



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MEMS振镜
传统激光雷达是使用两个电机带动两个透镜来实现水平方向以及垂直方向的扫描，但由于一般车上的震动大、工况复杂且电机寿命无法达到十几年寿命的需求，传统方案不是激光雷达的最优解，以蔚来ET7上使用的激光雷达拆解图为例，电机带动H&V方向透镜的示意图如下：



传统方案典型的弊端有两个：

电机+透镜导致激光雷达整机模组体积大电机寿命低

近些年随着MEMS技术的发展，MEMS Mirror广泛开始应用于投影、激光雷达等领域，其工作原理利用了法拉第电磁感应原理，将通电的线圈中放置于磁场当中，通过改变电流的方向来改变振镜的方向，其原理如下图所示：


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结束语

最后通过速腾发布的一则视频来了解激光雷达MEMS振镜方案整体协作流程，YouTube链接：

https://youtu.be/dN_0uJM0Egk