對(duì)于自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)而言,測(cè)距距離足夠遠(yuǎn)、測(cè)距精度足夠高,是保證自動(dòng)駕駛系統(tǒng)及時(shí)作出判斷的前置條件。前面也提到測(cè)距距離取決于激光器的功率,而測(cè)距精度,則取決于高速ADC芯片的采樣頻率。
目前主流的激光雷達(dá)都采用ToF的測(cè)距方式,ToF也就是飛行時(shí)間(Time of Flight),通過(guò)直接測(cè)量發(fā)射激光和回波信號(hào)的時(shí)間差計(jì)算出距離信息。激光器先發(fā)射出經(jīng)過(guò)編碼的激光,激光到達(dá)被測(cè)物體后,接收器再接收被測(cè)物體反射回來(lái)的激光,由于光速基本固定,所以可以計(jì)算從發(fā)出激光到接收到激光的時(shí)間差,利用s=v/t計(jì)算出這段時(shí)間內(nèi)光傳播的距離,再除以2得出被測(cè)物體與激光雷達(dá)之間的距離。
在激光雷達(dá)中高速ADC芯片,接收器接收到的信號(hào),需要通過(guò)模擬前端進(jìn)行放大以及通道選通,再由ADC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。因此,ToF測(cè)距激光雷達(dá)的測(cè)距精度,就直接取決于ADC的采樣頻率。
以采樣速率為1GSPS(Gigabit Samples Per Second,即每秒千兆次采樣)的ADC為例,它的時(shí)鐘周期為1ns。已知光速C一般取值為300000km/s,所以在采樣速率1GSPS的ADC中,每個(gè)時(shí)鐘周期,也就是每1ns的采樣周期里光傳播距離為30cm。因此,考慮到計(jì)算距離需要將這段時(shí)間內(nèi)光傳播的距離除以2,那么也就是說(shuō)采樣速率為1GSPS時(shí)可以達(dá)到正負(fù)15cm的精度。
根據(jù)techinsights對(duì)Velodyne的VLP-16激光雷達(dá)的拆解,BOM成本大約為830-990美元,其中由于是機(jī)械旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu),16線需要有16組激光器和接收器,成本占大頭;而其他主要元件里,Altera的FPGA和TI的高速ADC08500占比較高,分別為14美元和30美元。從TI官網(wǎng)可以查到,ADC08500是一顆8bits、500MSPS采樣率的高速ADC,當(dāng)然Velodyn這款激光雷達(dá)也是相對(duì)較早期的產(chǎn)品了。
目前市場(chǎng)上激光雷達(dá)應(yīng)用中,比較常見(jiàn)采用的是TI的ADC08D1000,這是一顆8bits、支持雙路1GSPS或單路2GSPS的高速ADC芯片,兼顧低功耗和高性能。
而激光雷達(dá)的另一種測(cè)距方式,FMCW(調(diào)頻連續(xù)波)通過(guò)將發(fā)射激光的光頻進(jìn)行線性調(diào)制,將回波信號(hào)與參考光進(jìn)行相干得到頻率差,從而獲得飛行時(shí)間反推目標(biāo)物體距離。FMCW激光雷達(dá)具有可直接測(cè)量速度信息以及抗環(huán)境光和其他激光雷達(dá)干擾等優(yōu)勢(shì),但由于采用多通道并行處理,數(shù)據(jù)量大,對(duì)高速ADC轉(zhuǎn)換速率(最大采樣速率)的要求是ToF系統(tǒng)的2-4倍。