作者：Paul McCormack

LIDAR(激光探測與測距)通過雷達用于大范圍定位、測距和目標輪廓描繪應(yīng)用領(lǐng)域，這種系統(tǒng)由能在要求的范圍內(nèi)發(fā)射脈沖或連續(xù)激光的激光器和用于反射信號分析的高速、低噪聲接收器組成。發(fā)射的激光作用在目標物體上，并被目標物體所改變。根據(jù)目標的反射特性，一部分光被反射/散射回接收器。發(fā)射信號特性的改變能用于確定目標的特性，在最通常的應(yīng)用中，傳播時間(TOF)被用于確定距離。

隨著模擬技術(shù)的不斷改善，LIDAR在很多具有廣泛前景的領(lǐng)域得到應(yīng)用，ADC技術(shù)的發(fā)展可以實現(xiàn)更高精度和更低功率的系統(tǒng)設(shè)計。

汽車系統(tǒng)設(shè)計師開發(fā)成熟的LIDAR系統(tǒng)，可以根據(jù)交通情況自動地控制汽車速度和剎車系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)還能動態(tài)地控制與其它汽車和障礙物的距離，甚至能管理像氣囊這樣的安全功能。該技術(shù)的發(fā)展大大提高了駕駛員的舒適性和安全性。

 
圖1LIDAR組成框圖
互阻抗放大器
差分放大器
LIDAR模塊
半導體激光二極管

無論是什么應(yīng)用，這種系統(tǒng)的接收路徑上的關(guān)鍵模擬器件都是ADC，它用于將從近處或遠處目標發(fā)射回來的窄脈沖信號進行數(shù)字化處理。這種ADC需要非�？斓牟蓸铀俾省⒑芨叩哪M輸入帶寬以及低功耗。圖1顯示了LIDAR系統(tǒng)的一個簡化功能框圖。

可選的系統(tǒng)實現(xiàn)方法

當前最常用的方法是具有相位比較功能的連續(xù)波(CW)激光和脈沖激光。CW激光系統(tǒng)的工作原理是：目標物體反射回一個原始發(fā)射信號的移相信號，接收器將收到的移相信號與原始信號進行比較，相位比較器的輸出可以用于計算距離。正如其名所指，脈沖激光系統(tǒng)發(fā)射和接收短光脈沖信號。半導體脈沖激光用于要求低成本、低功耗、小尺寸和輕重量的應(yīng)用中。半導體脈沖激光需要在接收器中采用非�？斓腁DC，這是當前最常用的方法，也是本文討論的重點。

LIDAR系統(tǒng)可以測量的距離取決于以下幾個因素：激光峰值功率、激光的發(fā)散性、光學系統(tǒng)和大氣能見度、目標物體的反射特性以及檢光器的靈敏度。能見度和反射系數(shù)決定于具體的應(yīng)用，設(shè)計的靈活性很大程度上取決于激光源的功率和接收器的靈敏度。TOF測量的準確性取決于激光的脈寬以及所使用的ADC的速度和精度。

根據(jù)不同的應(yīng)用需求，所用的激光功率在幾毫瓦到幾百瓦之間。半導體脈沖激光的距離計算公式基于功率以及其它的系統(tǒng)和大氣條件，LIDAR系統(tǒng)相對于一個外部物體的往返距離計算公式是：

距離=√ [(P * A* Ta * To)/(Ds * PI * B)]

式中，P為激光功率，A為Rx光學系統(tǒng)面積(鏡頭或鏡面)，Ta為大氣能見度，To為光學系統(tǒng)的能見度，Ds為檢光器靈敏度，B為光束的輻射發(fā)散性。

對于接收器中的低功率激光檢測，設(shè)計師具有三個基本的檢光器選擇：硅PIN檢光器、雪崩光電二極管(APD)和光電倍增管(PMT)。APD廣泛用于測量儀表和航空航天應(yīng)用中，提供了其它檢光器所不可比擬的高速和高靈敏度性能。

接收器中的APD將接收到的光脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘�，輸出與入射光成正比的電流，用互阻抗放大器將這個輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓信號。好的互阻抗放大器應(yīng)該具有高增益、高輸入阻抗、超低電壓和電流噪聲以及低輸入電容，它通常具有一個FET或MOS輸入級用于滿足這些要求。采用高性能器件可以達到輸入噪聲電壓小于1.0 nv√Hz、電流噪聲小于15 fA√Hz的性能�；プ杩狗糯笃鞯妮敵鐾ǔＴ谟葾DC進行數(shù)字化之前轉(zhuǎn)換為一種差分信號并進行放大。

發(fā)送的脈沖信號通常被大氣環(huán)境等因素衰減，導致發(fā)射脈沖信號與接收信號之間存在很大強度差異。發(fā)射器鄰近的物體也可能會反射回高功率信號到接收器，這導致對接收系統(tǒng)苛刻的動態(tài)范圍要求，這種接收系統(tǒng)必須具有足夠的靈敏度來處理滿功率脈沖或超低功率的脈沖信號。因此，100dB的動態(tài)范圍要求并不鮮見，這種動態(tài)范圍通常是在ADC之前的前端電路中采用可變增益放大器(VGA)或者數(shù)字VGA來實現(xiàn)的，如圖2所示(CLC5526為數(shù)字VGA，ADC08D1000為雙路低功耗、1.6GSPS的8位ADC)。

 
圖2　在前端電路中采用數(shù)字VGA實現(xiàn)高動態(tài)范圍

高采樣速率提高LIDAR系統(tǒng)精度

距離測量可以達到的精度與ADC采樣頻率直接相關(guān)。由于光速C = 3E+08 m/s，而采樣速率為1GSPS的ADC的時鐘周期為1ns。在1ns的采樣時間內(nèi)，光的傳播距離為0.3m。因此，在1GSPS采樣速率下，分辨率為30cm/m。這意味著在任何距離下，采樣速率為1GSPS時可以達到+/- 15cm的精度。隨著采樣速率的降低，誤差將增加。

如前面所述，通過反射光脈沖的波長改變可以確定目標的某些物理特性，這稱為多普勒位移。為測量窄脈沖波長的改變，需要采樣速率為1GSPS或更高的ADC。

接收脈沖的形狀也包含目標物體的特性信息。只有非常高的過采樣率才能確定脈沖形狀，