激光雷达正在迅速引起人们对ADAS和自动车辆传感系统的兴趣和部署，但实施该技术的方法不同。本文将介绍这一些方法以及相干激光雷达检测的相对优势。

  光探测和测距（激光雷达）最早是在 1930 年代概念化的，与无线电探测和测距（雷达）大致同时。然而，直到 1960 年代激光的到来才能证明该技术，并且在后来的几年中，光通信的发展导致了激光和光调制技术的重大进步。

  2008年，第一个商用激光雷达系统，最初被称为“光学雷达”，在沃尔沃的乘用车上首次亮相。这项突破性技术为首批自动紧急制动 （AEB） 系统之一提供动力，使车辆能够自主应用制动器以防止或减轻追尾碰撞。

  继 15 年前的早期推出（随后被雷达取代，成为 AEB 的更便宜替代品）之后，高分辨率激光雷达迅速发展成为自动驾驶汽车计划的关键高分辨率传感器，并培育了多家创新、资金充足的初创公司。该技术提供更长的续航里程、卓越的分辨率和车辆周围环境的实时 3D 可视化，现已成熟，不仅成为自动驾驶的重要传感器模式，而且是乘用车和商用车队高级驾驶辅助系统 （ADAS） 的补充。

  激光雷达传感器在红外光谱中发射光子，以检测并创建周围环境的 3D 图像。事实证明，它们在汽车应用中非常受欢迎。与雷达相比，激光雷达的主要优点是所使用的光具有非常短的波长，因此可以进行精确测量。此外，与相机相比，激光雷达可以在任何照明条件下工作，并且具有更好的检测范围。激光雷达传感器数据捕获可作为“点云”查看（见图 1）。

  在开发激光雷达系统时，需要考虑很多事情，例如使用什么波长、扫描方法和如何应对干扰。然而，最大的系统决策是如何最好地检测返回的光子。有两个主要的竞争者，即直接检测与相干检测。

  在直接检测系统中，发射激光脉冲，有效地启动计时器。当接收到激光脉冲的回波时停止，并且根据经过的时间计算范围。参见图 2。

  图 2：由于光速 （c） 是恒定的，因此到目标的距离为 Δtc/2，其中 ∆t 是光子传输开始与光子接收前沿之间的时间。

  对于长达约50米的距离，不需要高质量的可调谐单模激光器（因为它只是在短时间内压缩大量光子的来源）或调制，这简化了驱动器电路。也不需要精密光学器件来补偿波前畸变。

  为什么是短距离？随着照明区域随着范围的增加而增加，因此返回功率会降低（作为范围的平方）。注：其公式为：返回功率近似等于发射功率x（目标面积/照明面积）x（接收面积/（π x范围）2)).损耗是无法避免的，因此最简单的解决方案是传输更多功率或提高接收器灵敏度。

  但是，可以使用的激光功率是有限的。强烈的近红外 （IR） 光（800 至 1400ηm）会损害人类视力。在ADAS或无人驾驶汽车应用中，简单地增加近红外光的传输功率将对其他道路使用者和行人造成危险。

  至于提高接收器灵敏度，可以使用更大面积的接收透镜来增加光子收集。此外，还可以使用雪崩光电二极管（APD，具有固有增益的光电二极管），尽管它们往往昂贵、易碎且体积小（这使系统光学器件进一步复杂化），并且在自生噪声成为问题之前只能提供高达 15 倍的增益。其他传感器类型，如盖革模式雪崩光电探测器 （GMAPD） 和单光子雪崩探测器 （SPAD），在直接探测激光雷达系统中提供更好的灵敏度，但在下雪、多尘或有雾的环境中效果不佳。

  此外，所有检测系统都需要某种形式的抗干扰缓解措施。无论是雷达还是激光雷达，系统都需要知道他们的接收器接收到的东西（无论是脉冲无线电波还是光子）来自他们的发射器。干扰问题发生在脉冲汽车雷达的早期。一旦许多汽车配备了雷达，相互干扰就成了一个问题。最流行的解决方案是改用相干探测技术，主要是雷达系统的调频连续波（FMCW - 见下文）。

  直接探测激光雷达的另一个局限性是它不能直接测量每点速度，而是必须通过确定距离如何随时间变化（即比较多个后续帧）来计算，这可能会影响系统的响应能力。

  这涉及将入射光与透射光样本混合，这样做有两个主要好处。首先，通过相长干涉（即接收信号乘以发射信号）可以通过光子增益实现无噪声放大，使系统能够使用非常低的功率激光器实现出色的灵敏度。其次，混合发射和接收信号使激光雷达系统具有很强的选择性，因为波长不完全相同的光（例如太阳光或来自相邻激光雷达系统的光）被简单地忽略。

  实现相干探测LiDAR系统的方法有很多种，但最流行的是调频连续波（FMCW）调制。图 3 显示了一个简化的示例。

  图 3：激光器的工作频率约为 1550ηm，调制频率为几百 MHz（例如，从 1550.002 到 1550ηm）。发射信号（和反射信号）约为200THz。光混合后，光电二极管呈现两个信号的总和和差。光电二极管带宽有限，对~400THz总和无响应，只能检测几百MHz的差值信号。

  在实践中，激光的频率上下扫频以产生锯齿形（频率与时间的关系），从中可以得出范围和速度;关于后者，想想多普勒效应。图 4 显示了光学元件的更详细概述。

  虽然比直接检测系统更复杂，但FMCW激光雷达的好处很多。例如，如前所述，返回信号乘以从发射源（图4中的本振振荡器LO）获取的样本。由于激光雷达的路径损耗很高，即使只有百分之几的LO也会比返回信号大得多。信号放大量非常高，但仅适用于完全相同波长的信号，这导致了高光子效率。

  例如，一个范围约为300m的FMCW激光雷达系统，其激光功率小于200mW。对于相同的范围，类似的直接检测系统需要 1000 倍的峰值功率。应该指出的是，FMCW是激光雷达在其他领域的核心;例如，测量范围可达数公里的光学测高仪器和用于风表征范围超过500米的激光多普勒激光雷达仪器。

  相干激光雷达的另一个好处是信号链的带宽相当低。如果我们考虑图 3 中的波长（其中激光从 1550.002 扫描到 1550ηm），光电二极管带宽可以限制在几百 MHz。直接检测系统需要尽可能宽的带宽（通常超过2GHz），以便解析接收脉冲的前沿。

  可以理解的是，较窄的带宽允许在光电二极管和较慢的模数转换器上使用噪声较低的跨阻放大器。

  最后，相干检测提供每点速度信息。每点速度的好处是，它是一个额外的上下文指标，后续感知系统在解释激光雷达（和其他传感器）数据时可以使用该指标，从而可能实现更明智的决策。

  激光器必须能够保持其相位完整性足够长的时间，以便其光到达最远的目标并从最远的目标返回。如果激光器的相位在传输过程中变化很大，则可能会失去相干性，并可能导致距离测量模糊。此外，它必须是调频的（在FMCW的情况下）。大多数二极管激光器都无法胜任这项任务，但商业市场上已经出现了许多半导体可调谐激光器。

  此外，并非每种扫描机制都与相干检测兼容。接收器需要观察每个点足够长的时间，以使光线到达和返回尽可能远的目标，因为返回信号需要与发射信号混合。例如，300m 的范围要求扫描机构保持静止至少 2μs，但许多连续移动的扫描机构无法做到这一点。

  最后，必须指出的是，相干激光雷达的信号处理任务明显大于直接探测。幸运的是，半导体制造商已经推出了功能强大的片上系统 （SoC） 产品，这些产品将数据转换器、微控制器和 DSP 与 FFT 加速器集成在一起，以满足这些信号处理需求：indie Semiconductor 的 iND83301 Surya 激光雷达 SoC 就是这样一个例子。

  不同的激光雷达应用受益于不同的设计方法。如前所述，在需要超远距离且激光雷达系统相互干扰或伤害人眼风险很小的航空地面勘测等应用中，高功率脉冲直接检测可以很好地工作。

  然而，对于ADAS和自动驾驶地面车辆等应用，这些应用需要1km的续航能力，并且很有可能部署了其他可能干扰的激光雷达系统，相干检测（尤其是FMCW）具有多个优势。这些特性包括抗干扰性（包括太阳能）、高信噪比（在恶劣天气条件下很重要）、原生高精度速度检测（为感知系统提供额外信息）以及易于系统修改。由于这些原因，相干激光雷达检测在考虑多种用例方面势头强劲，尤其是下一代汽车传感。