打造一顆雷射雷達需要幾步?

專欄作者 / Sentinels

首發 / 汽車之心（微信 ID：Auto-Bit）

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想完成一顆雷射雷達需要分幾步？

1. 搭建一套體積足夠小的脈衝式雷射測距系統；

2. 重複搭建測距系統，並根據特定規則將它們進行空間排列；

3. 增加一套電機帶動測距系統進行 360°旋轉；

4. 增加一套控制和通信模塊，確保系統穩定工作並與外部實現通信。

完成！

瞧，看上去打造雷射雷達 Demo 並非難事，至少比把大象裝冰箱容易得多。

但以上只為陳述一個流暢的邏輯，就像汽車並非簡單四個輪子加一套沙發，雷射雷達的設計和開發也並非易事。

搭建一套體積足夠小的脈衝雷射測距系統

雷射雷達基本原理可以簡單等同於脈衝式雷射測距儀原理。

它基於一個完美的公式，L=0.5*CT，我們稱它為 TOF（Time of flight），飛行時間法。

典型測距儀要通過一個發射單元，一個接收單元和一個計算單元來實現。

發射單元輸出的脈衝經目標物體反射後又被接收單元接收，計算單元同時記錄脈衝往返的渡越時間 T，計算光速 C 和渡越時間 T 的乘積的一半，就是測距儀和目標物體之間的距離 L。

這種測距儀的一種典型應用出現在軍事行動上（民用的測繪領域也常見）。

採用大功率的 1064nm 雷射照射器，單脈衝能量達 100mJ，峰值功率可達兆瓦，配合極小的雷射發散角，實現對 10Km 範圍內的軍事目標進行測距和指引。

著名的 Hellfire 飛彈就是依靠這套測距和照射系統實現精確的雷射末制導打擊。從上世紀 80 年代服役至今，依然是美軍戰術武器上的優選。

當然，把軍用雷射雷達測距儀拿來民用是不合理的。

首先，1064nm 雷射器並非人眼安全波段。

另外，單脈衝能量過高；最後軍用測距儀的體積較大，成本昂貴。

但相同的原理，我們通過改造就可以將其合理利用。

有這樣一種波長的雷射，它屬於人眼安全波段，可以通過體積極小半導體雷射器泵浦輸出納秒級別的窄脈寬，同時具備足夠好的能效比——這就是 903nm。

如今 903nm 的半導體雷射器可以將裸 Die（螺片封裝）通過金絲鍵合工藝封裝在 PCB 上，其尺寸只有毫米級，同時保持足夠好的性能和穩定性。

當然，單純的 903nm 半導體雷射器是無法點亮自己的，還需要一套完備的電路來驅動它。

目前常見的機械旋轉式雷達都採用了驅動電路板的形式，相比幾個毫米的雷射器，驅動電路則大得多。

因此，將驅動電路打包 ASIC 化是未來的趨勢，即縮小了體積，又優化了穩定性和工藝。

至此，我們大致搞定了發射端。接下來，我們還需要一個接收器來配合。

常用的光電探測器有 PIN，APD，CCD，CMOS 等，當然還有 SPAD，MPPC 等等聽上去更高端的選項。

但選擇探測器的準則要滿足，在 903nm 波段有足夠好的帶寬、響應度跟信噪比，足夠小的尺寸和穩定性，以及足夠高的性價比。

首先是帶寬的需求，由於雷射脈衝的寬度在納秒級別，其信號帶寬在百兆以上，因此探測器也需要具備足夠的帶寬，從而帶來足夠的響應速度。

如果帶寬太窄，則信號會失真，導致接收端輸出的上升沿緩慢，從而為後端的信號處理帶來麻煩。

響應度需求，這個容易理解。

如果探測器響應度不夠，則接收端的信號強度極弱，由此會給後級放大電路帶來負擔。

你可能會說，我們可以提高後級運算放大電路的能力來彌補，但這就涉及到信噪比的問題。

信噪比是雷射雷達系統中非常重要的設計指標，對探測距離，測距精度都產生重大影響。

理想狀態下，我們期望噪聲平躺在地上，永遠不要露面，但這不現實。

對於 903nm 波長的雷射雷達，有一個重要的噪聲來源不可避免。

陽光中包含豐富的 903nm 成分，這些成分又包含非常豐富的頻率分量。而 LiDAR 光學系統的濾光片是允許 903nm 通過的。

也就是說，雷達的光學接收系統，會將自己發射的 903nm 脈衝，和陽光中的 903nm 成分，一視同仁。

這些混雜了非常多頻率的 903nm 成分，會被探測器接收並放大成噪聲。

這個噪聲同時會被後級運放逐級放大，最後就成為生長在有效 pulse 上的雜草，這些雜草會給系統的 TOF 計算引入麻煩。而後級運放的放大倍數越高，雜草生長越瘋狂。

這也就是為什麼不能無節制的提高運放能力。

說回到探測器的信噪比，光電探測器本身也會引入噪聲到後級電路當中。所以理想的探測電路設計，為了儘量確保源頭的乾淨，應該選擇信噪比足夠高的探測器。

尺寸，穩定性和性價比，這就看供應商的能力了。

隨著雷射雷達行業的發展，供應商也是火力全開，在上遊行業取得了不小的進步。

根據上述探討，滿足現實需求的是矽基的 APD，雪崩光電二極體。其響應特性曲線美妙的在 900 附近留下了極大值點，剛好和 903nm 半導體雷射器牽手一段姻緣。

如今同樣裸 Die 封裝的 APD 尺寸可以做到毫米級別，知名供應商如 First sensor，濱松（HAMAMATSU）的探測器都可以敏感數百米的 903nm 雷射脈衝，配合放大電路能夠實現高信噪比響應。

你可能會問，如今 SPAD，MPPC 這種具備史詩級響應度的單光子探測器用在雷達上，豈不是可以測出天際？

蓋革模式探測能力很強，毋庸置疑。

但雷射雷達是高動態範圍的全天候設備，需要覆蓋弱背景光的夜晚和強背景光的正午，陽光中的近紅外成分非常容易讓單光子探測器飽和，這也就是單光子探測通常是用在測星領域的原因。

當然，如果在動態範圍上能有所突破，這種探測器依然不失為一種選擇。

至此我們步入了雷射雷達設計初級階段，距離小康還很遙遠。

搞定了雷射發射單元和接收單元，配合合適的邏輯控制和計時單元，就可以實現測距功能。

重複搭建測距系統

一對收發系統，在目標物體上只能呈現一個點的距離信息，如果想獲得更多信息量怎麼辦？

我們可以利用重複搭建的方式，將多對相同且獨立雷射收發系統，通過特定的規則實現空間排列，就可以在目標上呈現多個點的距離信息。

簡單以線性排列為例（當然，實際的雷射雷達通常不會粗糙的線性排列，這裡面有多方面原因，節省空間是其中之一）：

至此，我們通過這套收發模組，可以在目標物體上獲取線狀的距離信息。

增加一套電機帶動測距系統進行 360°旋轉

為了獲得更多的信息量，貪婪的工程師想到了新的主意：

加裝一套電機，帶動收發模組旋轉，隨著電機旋轉，收發模組掃描周圍環境，反饋所接觸的第一道障礙物的距離信息，由此構成了我們所見到的漂亮點雲。

不得不說這是一個務實，且推動了一項產業的絕佳想法，同時所帶來的專利糾紛也賺足了眼球。

但這個電機也是如今讓機械旋轉式雷射雷達飽受詬病的所在——車企紛紛對它的穩定性和壽命提出質疑。

這種質疑合情合理，雖然汽車上也存在很多電機裝置，電機本身也符合車規等級要求，但雷射雷達有所不同：

其一，雷達所搭載收發模組作為負載相對較重，會對電機的壽命造成影響；

其二，雷射雷達是精密的光學設備，車載環境下大溫度範圍和複雜震動難免引起結構的配重失衡，機械結構的微小變動會導致光學系統失衡，從而在探測效果上打折扣。

所以才會有諸多優秀的公司湧入了固態雷達市場。

當然，這個市場目前正處於技術爬坡階段，篇幅關係暫不討論。

增加一套控制和通信模塊，

確保系統穩定工作並與外部實現通信

打好上述基礎，我們仍然需要一些收尾工作確保這顆雷達工作正常。

首先，雷射收發模組需要精確的邏輯時序控制，計算 TOF 時間需要精確到皮秒級別的計時模塊，這些工作需要一個邏輯控制核心完成。

其次，需要一個電機驅動單元確保電機工作正常，以及無線供電或者滑環單元實現能量傳遞（滑環存在壽命問題）。

另外，為了實現外部控制與數據傳輸，還需要通信模塊實現信息交互。以及，以上所有單元都需要的供電模塊。

至此，我們大體走完了雷射雷達的開發流程。

打開上位機，就可以欣賞漂亮的點雲啦！

不得不說，機械式雷射雷達的熱度已經在下降了，更多的技術、資金和目光都聚焦在固態雷射雷達這片藍海上。

P.S. 後續我們可以聊聊固態雷射雷達。

「汽車之心·行家說」預告

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