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  基于FPGA的LiDAR系統(tǒng)，”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，目前談?wù)摰募す饫走_(dá)(LiDAR)，其實(shí)是“光學(xué)雷達(dá)”，從其英文“Light Detection And Ranging” (也就是”光學(xué)探測(cè)及測(cè)距”)縮寫而來(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)族枝繁葉茂

  如上面提及，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?為您徐徐道來(lái)。

  激光雷達(dá)如何分類?如在前面提及，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。