激光雷達技術(shù)入門(mén)：TOF飛行時(shí)間與相干探測的優(yōu)勢解析

  摘要

  激光雷達是重要的探測技術(shù)，應用廣泛，包括空中測繪、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域。激光雷達系統的一個(gè)關(guān)鍵設計選擇是返回光脈沖的探測方式。本文回顧了兩種主要方式：直接飛行時(shí)間探測和相干探測。飛行時(shí)間系統使用脈沖激光，測量光脈沖的時(shí)間延遲計算距離。相干探測將接收光與發(fā)射光的樣本混合，以放大信號并抑制噪聲。文中比較了兩種方式的優(yōu)勢和權衡，包括測距范圍、環(huán)境適應性、速度測量精度和成本等多方面。對于自動(dòng)駕駛等近距離應用，相干探測在抗干擾、惡劣天氣適應性和原生速度感知方面具有優(yōu)勢。但對于長(cháng)距離測繪應用，高功率飛行時(shí)間系統更為可取。最佳探測方式取決于范圍、環(huán)境和性能需求的平衡。

  簡(jiǎn)介

  激光雷達應用于自動(dòng)駕駛、空中測繪、氣象等領(lǐng)域。開(kāi)發(fā)激光雷達系統時(shí)的關(guān)鍵設計決策是返回光脈沖的探測方式選擇。主要有兩種方式：直接飛行時(shí)間探測和相干探測。每種方式都有自己的優(yōu)勢和局限，涉及最大測距范圍、環(huán)境適應性、速度測量、成本等方面。本文將回顧兩種方式在激光雷達系統中的工作原理、優(yōu)勢和局限性，并結合相關(guān)性能指標和應用案例，提供選擇最佳探測技術(shù)的指導。

  飛行時(shí)間探測概述

  飛行時(shí)間(TOF)激光雷達使用短脈沖激光，測量光脈沖往返目標的時(shí)間。如圖1所示，系統根據發(fā)射和接收脈沖之間的時(shí)間延遲計算距離。TOF系統工作原理：

  發(fā)出短時(shí)間(幾納秒)激光脈沖，啟動(dòng)計時(shí)器。

  探測反射脈沖，停止計時(shí)器。

  將距離計算為往返時(shí)間與光速的一半乘積。TOF激光雷達概念簡(jiǎn)單，可以與相對低成本的激光器和探測光學(xué)配合使用。但在最大測距范圍、抗干擾性和穿透迷霧煙塵能力方面存在局限。

圖1：飛行時(shí)間激光雷達距離測量

  隨距離增加，返回信號強度按平方反比衰減。要將測距范圍提升一倍需要約16倍的峰值激光功率。陽(yáng)光或其他激光雷達系統的干擾會(huì )對探測產(chǎn)生干擾。迷霧、飛雪等會(huì )導致嚴重的背向散射，致使TOF系統“失明”。速度信息需要處理多幀圖像計算?？傮w來(lái)說(shuō)，TOF激光雷達非常適合短中距離、干擾小的高精度距離測量應用。

  相干探測概述

  相干探測激光雷達將接收光與發(fā)射光的樣本混合，這種技術(shù)稱(chēng)為異頻或同頻探測。相干系統使用連續調制激光而不是短脈沖。通過(guò)測量發(fā)射和接收之間的相位延遲可以計算距離和速度。相干探測的主要優(yōu)點(diǎn)如圖2所示，包括：

  通過(guò)與大功率本地振蕩器信號混合實(shí)現信號放大，使低傳輸功率下也具有出色靈敏度。

  僅檢測匹配波長(cháng)，因此可過(guò)濾陽(yáng)光等噪聲，具有出色的抗干擾能力。

  通過(guò)檢測多普勒頻移實(shí)現原生速度測量。

圖2：相干激光雷達探測概念

  這些優(yōu)點(diǎn)的代價(jià)是復雜性增加。相干系統需要高穩定性窄線(xiàn)寬激光器，信號處理更復雜，通常需要傅里葉變換。但現代芯片組可幫助解決這些需求。高靈敏度和抗干擾使相干探測非常適合長(cháng)距離或高噪聲場(chǎng)景，速度數據也有助于后續感知和分類(lèi)。

  比較分析

  從關(guān)鍵性能維度比較飛行時(shí)間和相干探測：

  1、測距范圍：TOF系統擅長(cháng)中短距離，低于500米，通過(guò)高功率激光和精密光學(xué)可達1公里以上。相干探測更適合500米以上長(cháng)距離，部分系統超過(guò)10公里，本地振蕩器放大使其低傳輸功率下也具備出色靈敏度。

  2、使用環(huán)境：相干探測可處理干擾和迷霧煙塵，窄帶選擇可過(guò)濾陽(yáng)光防止飽和。TOF系統抗干擾和穿透迷霧煙塵能力較弱，需要濾波、編碼及高信噪比接收器。

  3、速度測量：相干激光雷達可通過(guò)多普勒頻移實(shí)現原生高精度速度數據。TOF系統需要處理多幀圖像以估算速度，精度較低。

  4、尺寸和成本：TOF系統使用脈沖激光，相干要求低，光學(xué)部件更小更低成本。相干激光雷達需要高穩定窄線(xiàn)寬激光器，復雜度更高，但探測端更簡(jiǎn)單?？傮w成本取決于產(chǎn)量和性能指標。

圖3. 直接探測與相干探測激光雷達比較表

  TOF激光雷達可提供簡(jiǎn)單的中短距離高精度距離數據，而相干探測可提供實(shí)際應用所需的抗干擾能力和原生速度輸出。

  應用案例

  舉兩個(gè)例子進(jìn)一步說(shuō)明探測技術(shù)的權衡：

  自動(dòng)駕駛 - 相干激光雷達可提供抗干擾、適應惡劣天氣、精準速度輸出等自動(dòng)駕駛所需的關(guān)鍵優(yōu)勢，200米以下的距離要求可滿(mǎn)足。

  空中測繪 - TOF系統組合了數公里的長(cháng)距離測量和簡(jiǎn)單探測光學(xué)的優(yōu)勢，空中使用期間不太可能出現干擾。

  上述案例中，最佳探測方式與距離、環(huán)境和信息需求相符，突出根據具體應用場(chǎng)景選擇匹配的激光雷達探測方式的重要性。

  使用逍遙科技的PhotoCAD設計的激光雷達案例

  PhotoCAD支持光子集成電路的腳本驅動(dòng)布局設計，便于快速原型設計和設計重用。OPA案例展示了構建MMI分光器樹(shù)將光分割到集成加熱器的陣列單元進(jìn)行波束掃描。腳本放置MMI單元、在單元間路由波導、添加加熱器和光柵耦合器，并連接至焊盤(pán)。關(guān)鍵參數如間距和陣列數量可指定。展示了PhotoCAD在分層光電集成電路布局和參數化設計方面的優(yōu)勢。FMCW接收器通過(guò)將接收光與發(fā)射光的樣本混合提取距離和速度數據。該案例組合了可調諧激光器、光分光器、光電二極管等組件，在單元間自動(dòng)布線(xiàn)波導。

  PhotoCAD實(shí)現了對多個(gè)光子構建塊的快速集成，這對復雜的相干探測系統至關(guān)重要。這些案例突顯了PhotoCAD在PIC布局自動(dòng)化的優(yōu)勢，可重復的腳本和參數化單元便于光相控陣、波束掃描系統、相干收發(fā)器等關(guān)鍵激光雷達組件的設計和修改。該工具靈活性強，支持多種激光雷達系統架構，促進(jìn)快速原型設計和定制以滿(mǎn)足不同的激光雷達性能需求。

圖4. 使用PhotoCAD布局工具實(shí)現的OPA

  結論

  根據距離范圍、使用環(huán)境、精度和成本約束等要求，飛行時(shí)間和相干探測都可實(shí)現可行的激光雷達解決方案。TOF系統構建簡(jiǎn)單但抗干擾能力有限。相干探測提供抗干擾能力和原生速度輸出但復雜度較大。了解這些權衡后，激光雷達設計人員可根據應用性能目標定制最佳的系統探測結構。隨著(zhù)激光器、光學(xué)和信號處理技術(shù)的進(jìn)步，兩種探測技術(shù)都將不斷改進(jìn)。

  參考文獻

  https://www.embedded.com/why-coherent-lidar-is-gaining-traction-in-adas-and-automotive-sensing/