設計車(chē)載激光雷達 搞清這5點(diǎn)很重要！

設計一個(gè)TOF車(chē)載激光雷達系統，首先要確定系統需要探測的最小目標、該目標的反射率，以及該目標的距離，視場(chǎng)角。上述這些因素會(huì )定義系統的角分辨率。并在該基礎上計算最小信噪比(SNR)，這也是后續軟件判定檢測對象真/假的重要檢測標準。

問(wèn)：車(chē)載激光雷達系統的設計思路

設計一個(gè)TOF車(chē)載激光雷達系統，首先要確定系統需要探測的最小目標、該目標的反射率，以及該目標的距離，視場(chǎng)角。上述這些因素會(huì )定義系統的角分辨率。并在該基礎上計算最小信噪比(SNR)，這也是后續軟件判定檢測對象真/假的重要檢測標準。

檢測距離

我們以自動(dòng)駕駛汽車(chē)，防撞的應用來(lái)舉例。最小目標：小轎車(chē)4.8m×1.8 m長(cháng)。目標的反射率：取決于物體本身的性質(zhì)（表面狀況）。這里不詳細討論，假設目標可以很好的反射。

以汽車(chē)100公里/小時(shí)的速度來(lái)計算，不僅考慮以100 km/h速度行駛的車(chē)輛，還要考慮以相同速度反向行駛的另一輛車(chē)輛。因此，雷達系統需要能夠檢測到200公里/小時(shí)的物體，也就是每秒相對運動(dòng)至少50m。

當然，還要考慮，如非線(xiàn)性速度、停車(chē)距離、規避動(dòng)作等復雜情況。所以一般說(shuō)來(lái)，高速應用需要激光雷達系統檢測更遠的距離。

視場(chǎng)角（FOV）

對于不同的應用，不同的環(huán)境，視場(chǎng)角的選擇也不一樣。

圖 1. 自動(dòng)駕駛車(chē)輛和自動(dòng)地面車(chē)輛的對象檢測和防撞等應用 (圖片來(lái)源于A(yíng)DI)

如上圖：對于自動(dòng)駕駛車(chē)輛和自動(dòng)地面車(chē)輛的對象檢測和防撞等應用，可以使用16像素FOV。在大客車(chē)應用中，可以用4× 4網(wǎng)格矩陣，以檢測系統周?chē)奈矬w，作為車(chē)輛的安全器件。

從FOV到角度分辨率

確定FOV之后, 我們可以計算相應的分辨率。

FOV可以分為垂直FOV（VFOV）和水平FOV（HFOV）

當激光二極管陣列選定之后，比如下圖，一行16個(gè)激光二極管組成一個(gè)陣列，每個(gè)像素尺寸2mm×0.8mm， 20mm焦距的鏡頭。

圖 2. 激光二極管陣列 (圖片來(lái)源于A(yíng)DI)

于是，可以利用三角函數可以計算每個(gè)像素對應的VFOV與HFOV

圖 3.  VFOV 與 HFOV 計算 (圖片來(lái)源于A(yíng)DI)

因此，根據三角函數我們可以得出每個(gè)像素，VFOV=5.7°，HFOV=2.292°

有了VFOV/HFOV, 我們就可以得知在某一特定距離，實(shí)物尺寸與相素的關(guān)系。

角度分辨率

換一個(gè)場(chǎng)景，假設FOV=1°，即1°角度分辨率，在200 m距離時(shí)，

一個(gè)像素點(diǎn)，對應于2×Tan（0.5°）×200m=3.5m長(cháng)的物體。

即1°角分辨率會(huì )轉換成每側3.5米像素。

對于4.8m×1.8 m小轎車(chē)來(lái)說(shuō)，很難檢測。

相比FOV=0.1°，即0.1°角度分辨率，在200 m距離時(shí)，

一個(gè)像素點(diǎn)，對應于2×Tan（0.05°）×200m = 0.35m長(cháng)的物體。

對于一個(gè)4.8m×1.8 m長(cháng)的小轎車(chē)，在200 m距離時(shí)，至少可以有5個(gè)像素寬度的成像。

精細的角度分辨率使車(chē)載雷達系統能夠從單一對象接收多個(gè)像素的返回信號。因此，在這個(gè)系統下，甚至有可能區分汽車(chē)和摩托車(chē)。

距離精度與最小信噪比（SNR）

距離（或深度）、精度都與ADC采樣速率相關(guān)。距離精度允許系統準確地知道一個(gè)物體有多遠。對于移動(dòng)的應用來(lái)說(shuō)，非常重要。

假設ADC采樣周期Δt 為1 ns采樣時(shí)段, 我們可以計算距離

d=（c×Δt）/2 = 15cm      

c是光速

即使用1 GSPS ADC的距離精度可達到15 cm。

當然可以采用更復雜的技術(shù)（例如過(guò)采樣插值）來(lái)改善范圍測量精度。

據估計，大約可以將范圍測量精度提升SNR的平方根。匹配濾波器是用于處理數據的性能最高的算法之一，它可以在插入之后最大化SNR，以得出最高的范圍測量精度。

激光雷達系統拓撲結構

以ADI的方案為例：

圖 4. ADI 激光雷達系統拓撲結構 (圖片來(lái)源于A(yíng)DI)