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設計車載激光雷達 搞清這5點很重要!

發(fā)布時間:2023-05-22 來源:Digi-Key 責任編輯:wenwei

【導讀】設計一個TOF車載激光雷達系統(tǒng),首先要確定系統(tǒng)需要探測的最小目標、該目標的反射率,以及該目標的距離,視場角。上述這些因素會定義系統(tǒng)的角分辨率。并在該基礎上計算最小信噪比(SNR),這也是后續(xù)軟件判定檢測對象真/假的重要檢測標準。


問:車載激光雷達系統(tǒng)的設計思路


設計一個TOF車載激光雷達系統(tǒng),首先要確定系統(tǒng)需要探測的最小目標、該目標的反射率,以及該目標的距離,視場角。上述這些因素會定義系統(tǒng)的角分辨率。并在該基礎上計算最小信噪比(SNR),這也是后續(xù)軟件判定檢測對象真/假的重要檢測標準。


檢測距離


我們以自動駕駛汽車,防撞的應用來舉例。最小目標:小轎車4.8m×1.8 m長。目標的反射率:取決于物體本身的性質(表面狀況)。這里不詳細討論,假設目標可以很好的反射。


以汽車100公里/小時的速度來計算,不僅考慮以100 km/h速度行駛的車輛,還要考慮以相同速度反向行駛的另一輛車輛。因此,雷達系統(tǒng)需要能夠檢測到200公里/小時的物體,也就是每秒相對運動至少50m。


當然,還要考慮,如非線性速度、停車距離、規(guī)避動作等復雜情況。所以一般說來,高速應用需要激光雷達系統(tǒng)檢測更遠的距離。


視場角(FOV)


對于不同的應用,不同的環(huán)境,視場角的選擇也不一樣。


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圖 1. 自動駕駛車輛和自動地面車輛的對象檢測和防撞等應用 (圖片來源于ADI)


如上圖:對于自動駕駛車輛和自動地面車輛的對象檢測和防撞等應用,可以使用16像素FOV。在大客車應用中,可以用4× 4網(wǎng)格矩陣,以檢測系統(tǒng)周圍的物體,作為車輛的安全器件。


從FOV到角度分辨率


確定FOV之后, 我們可以計算相應的分辨率。


FOV可以分為垂直FOV(VFOV)和水平FOV(HFOV)


當激光二極管陣列選定之后,比如下圖,一行16個激光二極管組成一個陣列,每個像素尺寸2mm×0.8mm, 20mm焦距的鏡頭。


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圖 2. 激光二極管陣列 (圖片來源于ADI)


于是,可以利用三角函數(shù)可以計算每個像素對應的VFOV與HFOV


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圖 3.  VFOV 與 HFOV 計算 (圖片來源于ADI)


因此,根據(jù)三角函數(shù)我們可以得出每個像素,VFOV=5.7°,HFOV=2.292°


有了VFOV/HFOV, 我們就可以得知在某一特定距離,實物尺寸與相素的關系。


角度分辨率


換一個場景,假設FOV=1°,即1°角度分辨率,在200 m距離時,


一個像素點,對應于2×Tan(0.5°)×200m=3.5m長的物體。


即1°角分辨率會轉換成每側3.5米像素。


對于4.8m×1.8 m小轎車來說,很難檢測。


相比FOV=0.1°,即0.1°角度分辨率,在200 m距離時,


一個像素點,對應于2×Tan(0.05°)×200m = 0.35m長的物體。


對于一個4.8m×1.8 m長的小轎車,在200 m距離時,至少可以有5個像素寬度的成像。


精細的角度分辨率使車載雷達系統(tǒng)能夠從單一對象接收多個像素的返回信號。因此,在這個系統(tǒng)下,甚至有可能區(qū)分汽車和摩托車。


距離精度與最小信噪比(SNR)


距離(或深度)、精度都與ADC采樣速率相關。距離精度允許系統(tǒng)準確地知道一個物體有多遠。對于移動的應用來說,非常重要。


假設ADC采樣周期Δt 為1 ns采樣時段, 我們可以計算距離


d=(c×Δt)/2 = 15cm      


c是光速


即使用1 GSPS ADC的距離精度可達到15 cm。


當然可以采用更復雜的技術(例如過采樣插值)來改善范圍測量精度。


據(jù)估計,大約可以將范圍測量精度提升SNR的平方根。匹配濾波器是用于處理數(shù)據(jù)的性能最高的算法之一,它可以在插入之后最大化SNR,以得出最高的范圍測量精度。


激光雷達系統(tǒng)拓撲結構


以ADI的方案為例:


37.jpg

圖 4. ADI 激光雷達系統(tǒng)拓撲結構 (圖片來源于ADI)



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