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

  摘要

  激光雷達(dá)是重要的探測技術(shù)，應(yīng)用廣泛，包括空中測繪、自動駕駛等領(lǐng)域。激光雷達(dá)系統(tǒng)的一個關(guān)鍵設(shè)計(jì)選擇是返回光脈沖的探測方式。本文回顧了兩種主要方式：直接飛行時間探測和相干探測。飛行時間系統(tǒng)使用脈沖激光，測量光脈沖的時間延遲計(jì)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(quán)衡，包括測距范圍、環(huán)境適應(yīng)性、速度測量精度和成本等多方面。對于自動駕駛等近距離應(yīng)用，相干探測在抗干擾、惡劣天氣適應(yīng)性和原生速度感知方面具有優(yōu)勢。但對于長距離測繪應(yīng)用，高功率飛行時間系統(tǒng)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。

  簡介

  激光雷達(dá)應(yīng)用于自動駕駛、空中測繪、氣象等領(lǐng)域。開發(fā)激光雷達(dá)系統(tǒng)時的關(guān)鍵設(shè)計(jì)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(yīng)性、速度測量、成本等方面。本文將回顧兩種方式在激光雷達(dá)系統(tǒng)中的工作原理、優(yōu)勢和局限性，并結(jié)合相關(guān)性能指標(biāo)和應(yīng)用案例，提供選擇最佳探測技術(shù)的指導(dǎo)。

  飛行時間探測概述

  飛行時間(TOF)激光雷達(dá)使用短脈沖激光，測量光脈沖往返目標(biāo)的時間。如圖1所示，系統(tǒng)根據(jù)發(fā)射和接收脈沖之間的時間延遲計(jì)算距離。TOF系統(tǒng)工作原理：

  發(fā)出短時間(幾納秒)激光脈沖，啟動計(jì)時器。

  探測反射脈沖，停止計(jì)時器。

  將距離計(jì)算為往返時間與光速的一半乘積。TOF激光雷達(dá)概念簡單，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：飛行時間激光雷達(dá)距離測量

  隨距離增加，返回信號強(qiáng)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。陽光或其他激光雷達(dá)系統(tǒng)的干擾會對探測產(chǎn)生干擾。迷霧、飛雪等會導(dǎo)致嚴(yán)重的背向散射，致使TOF系統(tǒng)“失明”。速度信息需要處理多幀圖像計(jì)算。總體來說，TOF激光雷達(dá)非常適合短中距離、干擾小的高精度距離測量應(yīng)用。

  相干探測概述

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

  通過與大功率本地振蕩器信號混合實(shí)現(xiàn)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，因此可過濾陽光等噪聲，具有出色的抗干擾能力。

  通過檢測多普勒頻移實(shí)現(xiàn)原生速度測量。

圖2：相干激光雷達(dá)探測概念

  這些優(yōu)點(diǎn)的代價是復(fù)雜性增加。相干系統(tǒng)需要高穩(wěn)定性窄線寬激光器，信號處理更復(fù)雜，通常需要傅里葉變換。但現(xiàn)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距離或高噪聲場景，速度數(shù)據(jù)也有助于后續(xù)感知和分類。

  比較分析

  從關(guān)鍵性能維度比較飛行時間和相干探測：

  1、測距范圍：TOF系統(tǒng)擅長中短距離，低于500米，通過高功率激光和精密光學(xué)可達(dá)1公里以上。相干探測更適合500米以上長距離，部分系統(tǒng)超過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，窄帶選擇可過濾陽光防止飽和。TOF系統(tǒng)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(dá)可通過多普勒頻移實(shí)現(xiàn)原生高精度速度數(shù)據(jù)。TOF系統(tǒng)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(tǒng)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(dá)需要高穩(wěn)定窄線寬激光器，復(fù)雜度更高，但探測端更簡單。總體成本取決于產(chǎn)量和性能指標(biāo)。

圖3. 直接探測與相干探測激光雷達(dá)比較表

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

  應(yīng)用案例

  舉兩個例子進(jìn)一步說明探測技術(shù)的權(quán)衡：

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

  空中測繪 - TOF系統(tǒng)組合了數(shù)公里的長距離測量和簡單探測光學(xué)的優(yōu)勢，空中使用期間不太可能出現(xiàn)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(jù)具體應(yīng)用場景選擇匹配的激光雷達(dá)探測方式的重要性。

  使用逍遙科技的PhotoCAD設(shè)計(jì)的激光雷達(dá)案例

  PhotoCAD支持光子集成電路的腳本驅(qū)動布局設(shè)計(jì)，便于快速原型設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)重用。OPA案例展示了構(gòu)建MMI分光器樹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(dǎo)、添加加熱器和光柵耦合器，并連接至焊盤。關(guān)鍵參數(shù)如間距和陣列數(shù)量可指定。展示了PhotoCAD在分層光電集成電路布局和參數(shù)化設(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢。FMCW接收器通過將接收光與發(fā)射光的樣本混合提取距離和速度數(shù)據(jù)。該案例組合了可調(diào)諧激光器、光分光器、光電二極管等組件，在單元間自動布線波導(dǎo)。

  PhotoCAD實(shí)現(xiàn)了對多個光子構(gòu)建塊的快速集成，這對復(fù)雜的相干探測系統(tǒng)至關(guān)重要。這些案例突顯了PhotoCAD在PIC布局自動化的優(yōu)勢，可重復(fù)的腳本和參數(shù)化單元便于光相控陣、波束掃描系統(tǒng)、相干收發(fā)器等關(guān)鍵激光雷達(dá)組件的設(shè)計(jì)和修改。該工具靈活性強(qiáng)，支持多種激光雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)，促進(jìn)快速原型設(shè)計(jì)和定制以滿足不同的激光雷達(dá)性能需求。

圖4. 使用PhotoCAD布局工具實(shí)現(xiàn)的OPA

  結(jié)論

  根據(jù)距離范圍、使用環(huán)境、精度和成本約束等要求，飛行時間和相干探測都可實(shí)現(xiàn)可行的激光雷達(dá)解決方案。TOF系統(tǒng)構(gòu)建簡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(fù)雜度較大。了解這些權(quán)衡后，激光雷達(dá)設(shè)計(jì)人員可根據(jù)應(yīng)用性能目標(biāo)定制最佳的系統(tǒng)探測結(jié)構(gòu)。隨著激光器、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(xiàn)

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