很容易認混的LiDAR 和 RADAR

　　在說到基于FPGA的LiDAR系統(tǒng)之前，我們先來聊聊“雷達”和“激光雷達”的區(qū)別。因為這兩個詞語看起來十分相近，經(jīng)常會被讀者混淆。

　　實際上，目前大家經(jīng)常談?wù)摰募す饫走_（LiDAR），其實是“光學(xué)雷達”，從其英文“LightDetecTIon And Ranging” （也就是“光學(xué)探測及測距”）縮寫而來，是一種光學(xué)遙感技術(shù)，通過向目標(biāo)照射一束光，通常是一束脈沖激光，來測量目標(biāo)的距離等參數(shù)。

　　而我們一般說的雷達（Radar）又是什么意思呢？它的名字Radar的全稱是Radio DetecTIon And Ranging，翻譯過來，是“無線電的探測和測量”。其實這兩者工作原理相似，區(qū)別在于發(fā)射信號不同，Lidar采用的是激光，而Radar采用的是無線電波（如微波 / 毫米波 / 厘米波雷達）。

　　激光雷達大家族枝繁葉茂

　　如上面我們提及，LiDAR是光學(xué)探測及測距系統(tǒng)的簡稱，也就是用激光器作為發(fā)射光源，采用光電探測技術(shù)手段的主動遙感設(shè)備。激光雷達是激光技術(shù)與現(xiàn)代光電探測技術(shù)結(jié)合的先進探測方式。由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信息處理等部分組成。

　　發(fā)射系統(tǒng)是各種形式的激光器，而接收系統(tǒng)采用望遠鏡和各種形式的光電探測器。 隨著科技的不斷發(fā)展，激光雷達的應(yīng)用越來越廣泛，在機器人、無人駕駛、無人車等領(lǐng)域都能看到它的身影，有需求必然會有市場，隨著激光雷達需求的不斷增大，激光雷達的種類也變得琳瑯滿目，按照使用功能、探測方式、載荷平臺等激光雷達可分為不同的類型。

　　以離我們生活很近的車用激光雷達舉例，激光雷達具有高精度、高分辨率的優(yōu)勢，同時具有建立周邊3D模型的前景，然而其劣勢在于對靜止物體如隔離帶的探測較弱且技術(shù)落地成本高昂。

　　激光雷達可廣泛應(yīng)用于ADAS系統(tǒng)，例如自適應(yīng)巡航控制（ACC）、前車碰撞警示（FCW）、自動緊急制動（AEB）及更高級的L4級別自動駕駛等。

　　當(dāng)然，激光雷達也有部分缺點，它在工作時受天氣和大氣影響大。激光一般在晴朗的天氣里衰減較小，傳播距離較遠。而在大雨、濃煙、濃霧等壞天氣里，衰減急劇加大，傳播距離大受影響。

　　那么，從設(shè)計上來講，激光雷達都分為哪幾類？而基于FPGA/SoC的設(shè)計為什么在激光雷達業(yè)界占據(jù)主流呢？我們?yōu)槟煨斓纴怼?/p>

　　激光雷達如何分類？

　　如我們在前面提及，雷達可以從兩個維度進行分類[1] [3]： 從發(fā)射波來看，分為脈沖和連續(xù)波兩種：基于脈沖，以ToF為主要測距原理占據(jù)了當(dāng)前的主要，但是基于連續(xù)波的FMCW激光雷達也在不斷涌現(xiàn)新品。

　　而我們更直觀的是根據(jù)掃描方式是以掃描機制分類[1]: 以車載激光雷達為例，激光雷達通常分為機械式激光雷達、純固態(tài)式激光雷達、半固態(tài)激光雷達。其中，半固態(tài)雷達以轉(zhuǎn)鏡式、旋鏡式、振鏡式三類為代表。而固態(tài)激光雷達主要有MEMS、OPA、Flash三大技術(shù)方向。

　　2.1 機械式激光雷達

　　機械式激光雷達的經(jīng)典架構(gòu)主要是通過電機帶動光機結(jié)構(gòu)整體旋轉(zhuǎn)，一般在系統(tǒng)通道數(shù)目的增加、測距范圍的拓展、空間角度分辨率的提高、系統(tǒng)集成度與可靠性的提升等方面進行技術(shù)的創(chuàng)新。

　　機械式激光雷達具有掃描速度快，接受視場小，抗光干擾能力強，信噪比高等優(yōu)勢，缺點在于價格昂貴，光路調(diào)試、裝配復(fù)雜、生產(chǎn)周期較長。

　　2.2 半固態(tài)式激光雷達

　　半固態(tài)式激光雷達可以分為轉(zhuǎn)鏡式、微振鏡式等。其中，轉(zhuǎn)鏡式保持收發(fā)模塊不動，讓電機在帶動轉(zhuǎn)鏡運動的過程中將光束反射至空間的一定范圍，從而實現(xiàn)掃描探測，其技術(shù)創(chuàng)新方面與機械式激光雷達類似。

　　轉(zhuǎn)鏡式激光雷達：保持收發(fā)模塊不動讓電機在帶動轉(zhuǎn)鏡運動的過程中反射激光從而達到掃描探測效果（圖片來源：Valeo） 微振鏡式/MEMS式激光雷達主要采用高速振動的二維振鏡實現(xiàn)，對空間進行一定范圍的掃描測量，技術(shù)發(fā)展方面?zhèn)戎亻_發(fā)口徑更大、頻率更高、可靠性更好振鏡來適用于激光雷達。微振鏡/MEMS振動幅度很小，頻率高，成本低，技術(shù)成熟，適用于量產(chǎn)大規(guī)模應(yīng)用。

　　MEMS激光雷達

　　2.3 純固態(tài)式激光雷達

　　一般認為，純粹的固態(tài)激光雷達只有兩種，一種是光學(xué)相控陣OPA，一種是Flash。OPA 即光學(xué)相控陣技術(shù)，通過施加電壓調(diào)節(jié)每個相控單元的相位關(guān)系，利用相干原理，實現(xiàn)發(fā)射光束的偏轉(zhuǎn)，從而完成系統(tǒng)對空間一定范圍的掃描測量。而Flash激光雷達主要是通過短時間直接發(fā)射出一大片覆蓋探測區(qū)域的激光，再以高度靈敏的面陣接收器，來完成對環(huán)境周圍圖像的繪制。

　　這兩種純固態(tài)式激光雷達都有掃描速度快、精度高、可控性好、體積小等特點被認為是未來激光雷達的發(fā)展趨勢，當(dāng)然也有出于功率限制導(dǎo)致純固態(tài)激光雷達掃描距離較短等有待改進之處。

　　基于FPGA的激光雷達設(shè)計

　　激光雷達度對接口速率與算力的需求： 如前文提及，不同的形態(tài)對于激光雷達的光學(xué)設(shè)計差異非常大，從光源的選擇（采用哪個波段，多少個激光器）、掃描方式選擇（機械，轉(zhuǎn)鏡、MEMS、雙楔形棱鏡、OPA、Flash等）、接收方式的選擇（如業(yè)界流行的APD、SiPM、SPAD等方式）都有多種方式。這意味著如果需要對信號進行有效處理，激光雷達的硬件和算法是一個軟硬件緊密結(jié)合設(shè)計，是一個整體嵌入式算法系統(tǒng)設(shè)備。

　　激光雷達的算法主要包括點云生成和點云信號處理兩部分： 首先是點云生成的一系列算法，由硬件以及光學(xué)設(shè)計強耦合而成，包含以下四個方面： A. 光源生成：由 FPGA、Laser Driver 及相關(guān)算法生成，（如由FPGA 形成抗干擾編碼等）； B. 光源掃描：電機、MEMS 等相關(guān)部件的掃描算法、ROI 區(qū)域形成等； C. 光源接收：信號檢測、放大、噪聲濾除、近距離增強等算法； D. 信號處理：點云生成、狀態(tài)數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)生成等； 而接口速率則根據(jù)激光雷達使用TDC或ADC而不同（總體來說，TDC 方式更適合低成本場景，而ADC則支持更精密測量）。

　　由于反射光以及光電探測器通常輸出的都是模擬信號，往往需要將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號才便于核心處理器進行處理及運行后續(xù)的算法。TDC（時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器）主要發(fā)揮計時器功能，通常用于低功耗、低成本、環(huán)境簡單的系統(tǒng)，當(dāng)主控芯片發(fā)出發(fā)光信號時，也同步給 TDC 一個開始計時的信號，隨后反射回來的光經(jīng)過 TIA 轉(zhuǎn)換成放大的電壓，再經(jīng)過比較器與參考電壓比較，判斷是否有光入射，TDC則將比較器的輸出當(dāng)做結(jié)束信號，完成計時，并將時間信息送回主控芯片。以AMD/Xilinx器件為例，基于FPGA的進位鏈模塊，28/16nm系列器件可以做到小于10ps的測量精度。

　　基于ADC的激光雷達通常用于更復(fù)雜的系統(tǒng)，ADC 對反射光信號進行持續(xù)采樣，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并由控制芯片進行波形處理、計時等工作。

　　無論是基于高速LVDS并行接口，還是更高速率，基于高速串行收發(fā)器（Serdes,如基于JESD204B/C接口）的高速ADC,AMD/Xilinx 器件支持最高基于JESD204C 的32Gbps速率，給您帶來更多實現(xiàn)方式的選擇空間。

　　在激光雷達大放異彩的AMD/Xilinx FPGA

　　AMD/Xilinx SoC：適應(yīng)算法快速迭代的高效方案

　　Xilinx/AMD提供了成熟的帶有可編程邏輯的SoC芯片，以28nm制程的Zynq7000系列，16nm制程的MPSoC系列為主，其PL部分的可編程邏輯可以提供豐富而精準(zhǔn)的電機控制，脈沖生成，激光發(fā)射器/接收器控制，數(shù)據(jù)同步、濾波，點云數(shù)據(jù)生成及處理，目標(biāo)檢測等功能的硬件及相關(guān)IP, 而PS部分的處理器則可以對流程控制，數(shù)據(jù)上傳，在線升級（OTA）。

　　同時（敲黑板啦?。?, 針對工業(yè)及車規(guī)應(yīng)用，AMD/ Xilinx 的相關(guān)芯片及工具鏈均通過了IEC-61508 / ISO 26262 認證， 可以配合全套功能安全方案，實現(xiàn)不同應(yīng)用場景的功能安全需求，為相關(guān)激光雷達應(yīng)用保駕護航！ 基于上述考慮，這也是為什么在當(dāng)前工業(yè)界，激光雷達的主控芯片中FPGA占據(jù)了相當(dāng)大比例。

　　為什么不采用 CPU 作為主控？因為激光雷達需要進行大量的信號處理、電機時序控制等，CPU 雖然也能做，但如果基于可編程的FPGA設(shè)計，采用專用的算法以及為算法專門優(yōu)化設(shè)計的電路，其效率會高得多。

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