很容易認(rèn)混的LiDAR 和 RADAR

　　在說(shuō)到基于FPGA的LiDAR系統(tǒng)之前,，我們先來(lái)聊聊“雷達(dá)”和“激光雷達(dá)”的區(qū)別,。因?yàn)檫@兩個(gè)詞語(yǔ)看起來(lái)十分相近,，經(jīng)常會(huì)被讀者混淆。

　　實(shí)際上，目前大家經(jīng)常談?wù)摰募す饫走_(dá)（LiDAR），其實(shí)是“光學(xué)雷達(dá)”,，從其英文“LightDetecTIon And Ranging” （也就是“光學(xué)探測(cè)及測(cè)距”）縮寫(xiě)而來(lái)，是一種光學(xué)遙感技術(shù),，通過(guò)向目標(biāo)照射一束光,，通常是一束脈沖激光，來(lái)測(cè)量目標(biāo)的距離等參數(shù),。

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

　　激光雷達(dá)大家族枝繁葉茂

　　如上面我們提及,，LiDAR是光學(xué)探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，也就是用激光器作為發(fā)射光源,，采用光電探測(cè)技術(shù)手段的主動(dòng)遙感設(shè)備,。激光雷達(dá)是激光技術(shù)與現(xiàn)代光電探測(cè)技術(shù)結(jié)合的先進(jìn)探測(cè)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(yuǎn)鏡和各種形式的光電探測(cè)器,。 隨著科技的不斷發(fā)展，激光雷達(dá)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,，在機(jī)器人,、無(wú)人駕駛、無(wú)人車等領(lǐng)域都能看到它的身影,，有需求必然會(huì)有市場(chǎng),，隨著激光雷達(dá)需求的不斷增大,，激光雷達(dá)的種類也變得琳瑯滿目，按照使用功能,、探測(cè)方式,、載荷平臺(tái)等激光雷達(dá)可分為不同的類型。

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

　　激光雷達(dá)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(dòng)緊急制動(dòng)（AEB）及更高級(jí)的L4級(jí)別自動(dòng)駕駛等。

　　當(dāng)然,，激光雷達(dá)也有部分缺點(diǎn),，它在工作時(shí)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(yuǎn),。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(jì)上來(lái)講，激光雷達(dá)都分為哪幾類,？而基于FPGA/SoC的設(shè)計(jì)為什么在激光雷達(dá)業(yè)界占據(jù)主流呢,？我們?yōu)槟煨斓纴?lái)。

　　激光雷達(dá)如何分類,？

　　如我們?cè)谇懊嫣峒?，雷達(dá)可以從兩個(gè)維度進(jìn)行分類[1] [3]： 從發(fā)射波來(lái)看，分為脈沖和連續(xù)波兩種：基于脈沖,，以ToF為主要測(cè)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(dá)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(jī)制分類[1]: 以車載激光雷達(dá)為例,，激光雷達(dá)通常分為機(jī)械式激光雷達(dá),、純固態(tài)式激光雷達(dá)、半固態(tài)激光雷達(dá)。其中,，半固態(tài)雷達(dá)以轉(zhuǎn)鏡式,、旋鏡式、振鏡式三類為代表,。而固態(tài)激光雷達(dá)主要有MEMS,、OPA、Flash三大技術(shù)方向,。

　　2.1 機(jī)械式激光雷達(dá)

　　機(jī)械式激光雷達(dá)的經(jīng)典架構(gòu)主要是通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)光機(jī)結(jié)構(gòu)整體旋轉(zhuǎn),，一般在系統(tǒng)通道數(shù)目的增加、測(cè)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(jìn)行技術(shù)的創(chuàng)新。

　　機(jī)械式激光雷達(dá)具有掃描速度快,，接受視場(chǎng)小,，抗光干擾能力強(qiáng)，信噪比高等優(yōu)勢(shì),，缺點(diǎn)在于價(jià)格昂貴,，光路調(diào)試、裝配復(fù)雜,、生產(chǎn)周期較長(zhǎng),。

　　2.2 半固態(tài)式激光雷達(dá)

　　半固態(tài)式激光雷達(dá)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(dòng)，讓電機(jī)在帶動(dòng)轉(zhuǎn)鏡運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中將光束反射至空間的一定范圍,，從而實(shí)現(xiàn)掃描探測(cè)，其技術(shù)創(chuàng)新方面與機(jī)械式激光雷達(dá)類似,。

　　轉(zhuǎn)鏡式激光雷達(dá)：保持收發(fā)模塊不動(dòng)讓電機(jī)在帶動(dòng)轉(zhuǎn)鏡運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中反射激光從而達(dá)到掃描探測(cè)效果（圖片來(lái)源：Valeo） 微振鏡式/MEMS式激光雷達(dá)主要采用高速振動(dòng)的二維振鏡實(shí)現(xiàn),，對(duì)空間進(jìn)行一定范圍的掃描測(cè)量，技術(shù)發(fā)展方面?zhèn)戎亻_(kāi)發(fā)口徑更大,、頻率更高,、可靠性更好振鏡來(lái)適用于激光雷達(dá)。微振鏡/MEMS振動(dòng)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(dá)

　　2.3 純固態(tài)式激光雷達(dá)

　　一般認(rèn)為，純粹的固態(tài)激光雷達(dá)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(guò)施加電壓調(diào)節(jié)每個(gè)相控單元的相位關(guān)系,，利用相干原理,，實(shí)現(xiàn)發(fā)射光束的偏轉(zhuǎn)，從而完成系統(tǒng)對(duì)空間一定范圍的掃描測(cè)量,。而Flash激光雷達(dá)主要是通過(guò)短時(shí)間直接發(fā)射出一大片覆蓋探測(cè)區(qū)域的激光,，再以高度靈敏的面陣接收器，來(lái)完成對(duì)環(huán)境周圍圖像的繪制,。

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

　　基于FPGA的激光雷達(dá)設(shè)計(jì)

　　激光雷達(dá)度對(duì)接口速率與算力的需求： 如前文提及,，不同的形態(tài)對(duì)于激光雷達(dá)的光學(xué)設(shè)計(jì)差異非常大,，從光源的選擇（采用哪個(gè)波段，多少個(gè)激光器）,、掃描方式選擇（機(jī)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(duì)信號(hào)進(jìn)行有效處理,，激光雷達(dá)的硬件和算法是一個(gè)軟硬件緊密結(jié)合設(shè)計(jì)，是一個(gè)整體嵌入式算法系統(tǒng)設(shè)備,。

　　激光雷達(dá)的算法主要包括點(diǎn)云生成和點(diǎn)云信號(hào)處理兩部分： 首先是點(diǎn)云生成的一系列算法,，由硬件以及光學(xué)設(shè)計(jì)強(qiáng)耦合而成，包含以下四個(gè)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(jī),、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(hào)檢測(cè)、放大,、噪聲濾除,、近距離增強(qiáng)等算法； D. 信號(hào)處理：點(diǎn)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(dá)使用TDC或ADC而不同（總體來(lái)說(shuō),，TDC 方式更適合低成本場(chǎng)景,，而ADC則支持更精密測(cè)量）。

　　由于反射光以及光電探測(cè)器通常輸出的都是模擬信號(hào),，往往需要將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)才便于核心處理器進(jìn)行處理及運(yùn)行后續(xù)的算法,。TDC（時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器）主要發(fā)揮計(jì)時(shí)器功能，通常用于低功耗,、低成本,、環(huán)境簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，當(dāng)主控芯片發(fā)出發(fā)光信號(hào)時(shí),，也同步給 TDC 一個(gè)開(kāi)始計(jì)時(shí)的信號(hào),，隨后反射回來(lái)的光經(jīng)過(guò) TIA 轉(zhuǎn)換成放大的電壓，再經(jīng)過(guò)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(hào)，完成計(jì)時(shí),，并將時(shí)間信息送回主控芯片,。以AMD/Xilinx器件為例，基于FPGA的進(jìn)位鏈模塊,，28/16nm系列器件可以做到小于10ps的測(cè)量精度,。

　　基于ADC的激光雷達(dá)通常用于更復(fù)雜的系統(tǒng)，ADC 對(duì)反射光信號(hào)進(jìn)行持續(xù)采樣,，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),，并由控制芯片進(jìn)行波形處理、計(jì)時(shí)等工作,。

　　無(wú)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(lái)更多實(shí)現(xiàn)方式的選擇空間。

　　在激光雷達(dá)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(jī)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(diǎn)云數(shù)據(jù)生成及處理,，目標(biāo)檢測(cè)等功能的硬件及相關(guān)IP, 而PS部分的處理器則可以對(duì)流程控制，數(shù)據(jù)上傳,，在線升級(jí)（OTA）,。

　　同時(shí)（敲黑板啦！） , 針對(duì)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(guò)了IEC-61508 / ISO 26262 認(rèn)證,， 可以配合全套功能安全方案，實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用場(chǎng)景的功能安全需求,，為相關(guān)激光雷達(dá)應(yīng)用保駕護(hù)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(dá)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?yàn)榧す饫走_(dá)需要進(jìn)行大量的信號(hào)處理,、電機(jī)時(shí)序控制等,，CPU 雖然也能做，但如果基于可編程的FPGA設(shè)計(jì),，采用專用的算法以及為算法專門優(yōu)化設(shè)計(jì)的電路,，其效率會(huì)高得多。

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