激光雷达已成为自动驾驶汽车首选技术解密背后3D映射的原理 

　　LiDAR（激光雷达）是一种类似于雷达的传感技术，但使用的是光而不是无线电波。它应用了反射光和精确定时的原理来测量物体的距离。由于其高度的深度和角度分辨率，LiDAR可以实现出色的深度感测。此外，由于采用了将红外光发射器与接收器一起使用的主动方法，因此它能够在所有光照条件下工作。

　　但是，LiDAR不仅比距离测量更复杂。它也可以用于3D映射和成像中，使其在工程环境中非常有吸引力，并且是一种非常有用的实用技术。

　　LiDAR有不同的方法，但最容易理解的是单次直接飞行时间（dToF）系统（图1）。在此，光源（通常是激光）发出光脉冲，并激活计时器。当光脉冲撞击物体时，它会反射回通常与激光器位于同一位置的传感器，并且计时器停止计时。了解了发送脉冲和接收回波之间的时间（t），使用光速（c）来计算到目标物体的距离（D）很简单。

　　在另一种称为间接ToF（iToF）LiDAR的方法中，传输连续的正弦光。iToF根据发射波形和反射波形之间的相位差确定飞行时间（t）。

　　在这两种方法中，iToF更常见。通常，它是用于短距离应用的更好方法，并且在环境光水平得到很好控制的情况下效果更好。相反，dToF可用于长距离和短距离应用。而且，它提供了更快的操作，并且可以测量多个回声，从而使其能够检测多个物体。

　　为了使LiDAR系统有效工作，返回信号必须在要求系统在其中工作的环境光范围内可检测到。显然，这在可以控制光的室内比较容易，但是LiDAR的许多最激动人心的应用是在室外，因此有必要提供解决方案。

　　使用ASTM G-173-03太阳辐照度模型，在500-600 nm（可见光谱）范围内的波长处显示了太阳噪声（光）的峰值。光谱的近红外（NIR）部分（大约905 nm）中的噪声已降至一半，这意味着更容易检测此波长的光。

　　通过移至短波红外范围（约1550 nm），可以获得更好的结果。但是，发射器和检测器价格稍高一些，因此将NIR范围作为性价比的最佳选择（图2）。

　　直观地看出，仅增加发射器的功率即可解决SNR问题，并提高LiDAR系统的准确性和射程，但发出的光可能对人类和动物有害。因此，诸如BS EN 60825-1：2014之类的国际标准规定了可传输的功率。

　　在可用功率有限的情况下，必须采用其他技术来增加有用范围。使用多重光可以显着改善SNR和范围，同时将每个脉冲内的能量保持在较低水平。在这种方法中，将发射多个脉冲，以创建检测到的回声的时间戳的直方图（图3）。

　　上述直方图清楚地显示了在随机时间检测到的环境光子。因此，它在直方图峰的两侧创建了一个“噪底”，其中大部分回波以相同的时间间隔返回，代表目标对象。

　　激光雷达技术不断发展。近来，检测器技术以及用于创建3D地图的方法已经取得了进步。

　　早期的探测器通常是PIN二极管或雪崩光电二极管。这些已被单光子雪崩二极管（SPAD）和硅光电倍增管（SiPM）取代，后者将密集的SPAD传感器阵列集成到单个设备中。与早期解决方案相比，SPAD和SiPM传感器具有低压操作，出色的均匀性和非常高的增益，并且能够检测光能的单个光子。

　　虽然测量远程目标物体的距离的功能非常有用，但是LiDAR的真正优势在于它能够创建详细且高度精确的表面3D地图-无论是在工厂环境中还是在涉及物体的情况下。

　　通过将LiDAR原理与扫描光电系统结合，可以控制光束以创建场景的密集深度点云。这可以通过物理旋转激光发射器以覆盖场景的所有区域来机械实现。但是，这种方法通常很大且成本很高，并且在对准方面存在挑战。

　　一种更现代的方法是使用准固态系统，例如微机电系统（MEMS）镜，液晶超表面（LCM）和光学相控阵（OPA）来引导光束穿过系统。该解决方案更加可靠，因为它几乎是固态的，并且对于远程应用而言非常有效。

　　LiDAR映射的唯一真正的固态方法是使用一系列发射器和传感器（SiPM或SPAD）并对场景进行闪光。由于发射器的功率限制，闪光灯照明仅适合于短距离或狭窄视场（FoV）。可以使用多点闪光照明方法，通过该方法，可寻址的发射器阵列（通常为可寻址的VCSEL阵列）可以顺序地并与检测器读数同步地照亮场景的不同部分。

　　激光雷达是一项非常有价值的技术。它适合的应用超越了许多领域，包括汽车，工业，运输，农业和测量。

　　感测车辆路径中的物体的能力允许实施诸如自适应巡航控制（ACC）之类的系统，该系统可保持与前方车辆的间距。LiDAR将成为未来全自动驾驶汽车的关键推动力。

　　LiDAR系统体积小，重量轻，可以由无人机携带，与手动方法相比，它以更快的速度（因而成本更低）开辟了大面积勘测的方式，其准确性更高。这里的应用几乎是无限的，包括监视环境影响，例如海岸侵蚀，洪水或冰融化。可以快速，安全地评估自然灾害（例如地震或火山）的影响，从而可以更快，更有效地提供援助。

　　农民可以使用激光雷达来调查他们的土地并评估农作物的状况。公路或铁路等基础设施项目将能够轻松调查拟议的路线并绘制进度图。

　　此外，静态LiDAR可以安装到大型容器（如料仓或储罐）中，以准确测量内容物，而无需与内容物进行任何接触。

　　安森美半导体的RB系列高响应快速SiPM具有很高的抗温度波动性。提供三种微孔尺寸（10、20或35μm）；每个设备的有效感应面积均为1 × 1 mm。这些高增益（高达1.7 × 10 6）器件采用小型（1.5 × 1.8 mm）封装。

　　为了支持针对LiDAR技术的新公司或时间紧迫的公司的项目，安森美半导体设计了用于工业应用的SiPM dToF LiDAR开发平台（图4和5）。即插即用平台结合了NIR激光发射器和RB系列SiPM检测器，可进行单点测距。

　　激光发射器被指定为1类，因此符合所有眼睛安全标准，同时允许工作范围扩展到23 m。通过包含易于使用的图形用户界面（GUI），可以简化平台的配置和监视。

　　一旦开发和调试完成，就可以无缝过渡到制造。这是因为成本优化的平台已准备好进行大规模部署，并且所有必要的制造文件都随时可用。

　　LiDAR是一项非常有用的技术，可用于测量距离并有助于创建准确而详细的3D映射。通过仔细选择波长和使用多次发射光脉冲，即使在功耗和激光发射器功率受到安全限制的情况下，也可以提高SNR以进行长距离测量。

　　LiDAR技术的应用非常广泛。将来，这项技术将使我们能够更好地了解我们的世界，同时也使它变得更安全。