FMCW?激光?雷達?原型?驗證?和?測試

引言

說到自動駕駛，問題并不是能否實現(xiàn)，而是在于何時以何種方式實現(xiàn)。 盡管業(yè)界普遍認(rèn)為激光雷達是能夠推動自動駕駛發(fā)展的技術(shù)之一，但它在實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)方面面臨著很大的障礙。新的激光雷達設(shè)計提供了低成本、低功耗、易于制造的成像技術(shù)；但是，它們并未進行驗證，也尚未商業(yè)化。不過這些問題是有望攻克的。 FMCW激光雷達為汽車制造商提供了一種可行的自動駕駛傳感器技術(shù)。但這是一項全新的技術(shù)，面臨著未知的開發(fā)和驗證挑戰(zhàn)。 我們先一下相鄰行業(yè)如何利用汲取的經(jīng)驗教訓(xùn)來克服激光雷達發(fā)展中存在的問題。

半導(dǎo)體市場已經(jīng)找到以較低成本量產(chǎn)調(diào)制激光器和接收激光鏈路的方法。 國防和航空航天工業(yè)也已經(jīng)建立了大通道數(shù)的高帶寬系統(tǒng)原型，且可滿足不斷變化的需求。 而汽車行業(yè)也通過對其現(xiàn)有的汽車產(chǎn)品進行FMCW雷達測試來為FMCW激光雷達測試鋪路。

接下來我們再深入探討一下如何借鑒其他行業(yè)的策略和最佳工程實踐，將這一新技術(shù)應(yīng)用到汽車行業(yè)。

圖1.FMCW激光雷達架構(gòu)

FMCW激光雷達原型驗證

FMCW激光雷達系統(tǒng)的組建和開發(fā)極具挑戰(zhàn)性：它需要多個完美同步且經(jīng)過調(diào)制的激光源，以及至少同樣數(shù)量的A/D轉(zhuǎn)換器，才能通過復(fù)雜的算法處理大量數(shù)據(jù)，所有這些都旨在為自動駕駛系統(tǒng)提供了3D視圖，該視圖由許多用顏色標(biāo)記的小點組成，同時能夠顯示車速。 且先不考慮激光雷達的測試，我們來看看工程師是如何建立激光雷達原型的。

一種方法是將FMCW系統(tǒng)分解為電域子系統(tǒng)和光域子系統(tǒng)兩部分，然后進行原型驗證。

電域子系統(tǒng)的原型驗證

電域子系統(tǒng)由發(fā)射端的FMCW線性調(diào)頻脈沖和接收端的高帶寬模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成。兩者中最復(fù)雜的是接收鏈，因為這需要將接收到的FMCW波剝離開，并與參考信號進行比較，只有這樣，才能產(chǎn)生結(jié)果的點云。

通常，發(fā)射端使用高度同步的多通道任意波形發(fā)生器，其通道數(shù)量要求最多可超過32個（并進行完整的發(fā)射系統(tǒng)原型驗證）。 您可能只需要生成線性調(diào)頻信號本身（通常小于100 MHz），或者可能需要生成調(diào)制波形（可能超過3 GHz）。 在接收鏈上，高度同步的高帶寬多通道數(shù)字化儀直接連接到FPGA，您可以在其中快速重復(fù)地對其信號處理進行原型驗證。 這些FPGA很多時候需要板載進行許多數(shù)字信號處理器和快速傅里葉變換，因此需要相互通信以了解彼此時序和相對位置。 只有這樣，它們才能將結(jié)果發(fā)送回上位機以生成4D點云。

由于這些原型驗證系統(tǒng)可能非常麻煩，所以理想的技術(shù)合作伙伴應(yīng)可以將所有這些要求集成到單個模塊化FMCW激光雷達平臺中，從而幫助您節(jié)省時間和金錢。

圖2.NI FlexRIO IF收發(fā)器將高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器與Xilinx FPGA相結(jié)合，適用于激光雷達測試等需要實時信號處理和高性能模擬輸入的應(yīng)用。

光域子系統(tǒng)的原型驗證

光域子系統(tǒng)需要的儀器比電域多幾種，具體取決于激光雷達制造商使用哪種類型的激光源、光電探測器和掃描（成像）方法。

幾乎所有的FMCW激光雷達光學(xué)原型都使用相干激光源，并將電域子系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為光域子系統(tǒng)，然后將其與光學(xué)器件混合。 很多時候，我們使用電光轉(zhuǎn)換器（E2O）將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，然后在接收鏈?zhǔn)褂霉怆娹D(zhuǎn)換器（O2E）將光信號轉(zhuǎn)換回電信號。 這可能需要將一個連續(xù)波激光源光學(xué)疊加到電信號上。

PXI的優(yōu)勢之一是該平臺適用于光學(xué)原型驗證和測試系統(tǒng)，因而可以與我們剛才討論的電氣系統(tǒng)相輔相成。 例如，Coherent Solutions生產(chǎn)的光學(xué)PXI模塊可以與電域設(shè)備（通常在同一個同步系統(tǒng)中）結(jié)合使用，以構(gòu)成完整的原型驗證平臺。

圖3.光電PXI系統(tǒng)

此外，您還需要解決電源、模擬和數(shù)字控制與測量以及數(shù)據(jù)流等需求，才能建立完整的FMCW激光雷達原型。NI等公司提供了小尺寸的模塊化儀器，可方便地在單個系統(tǒng)中管理這些組件。

芯片級組件驗證方法

在開發(fā)階段，需要通過一些驗證和確認(rèn)測試，來確保FMCW激光雷達能夠提供預(yù)期的功能。 激光雷達測試要求通常分為芯片級、模塊級和系統(tǒng)級。

與原型驗證系統(tǒng)一樣，首先需要分別測試電域和光域。 這需要驗證每個組件的芯片和專用集成電路。 以下是芯片級組件驗證方法的儀器清單：

電域

發(fā)射端和接收端（TIA、CDR、IC驅(qū)動）

基于VNA的2或4端口S參數(shù)測量

》 1 GS/s AWG，用于通過電力驅(qū)動組件

》 3 GS/s示波器，用于分析輸出

功率計

誤碼率測試儀 （BERT） 和采樣示波器，用于數(shù)字組件和生成眼圖

TDR，以更低成本更快速進行S參數(shù)測量

電源

光域

發(fā)射端（激光、調(diào)制器、掃描儀）

O2E和矢量信號分析儀，用于測量相對強度噪聲

OSA，用于邊模抑制比

光學(xué)示波器、光譜儀和激光源（及其他技術(shù)），用于線性調(diào)頻

掃頻激光電源和測量單元

可變光衰減器和開關(guān)，用于信號路由和測量

接收端（光電探測器）

相干光激光源

E2O和AWG或矢量信號發(fā)生器

光混頻器

測試光學(xué)芯片的一個主要挑戰(zhàn)是光學(xué)器件與測量設(shè)備的對準(zhǔn)。 PI-USA等多家公司都憑借其光學(xué)校準(zhǔn)技術(shù)專門研究此功能。

圖 4. PI USA平行光學(xué)對準(zhǔn)（圖片由PI USA提供）

模塊級FMCW激光雷達測試

將多塊芯片集成到一個模塊中時，可以匯總各個芯片的組件級測試結(jié)果。 盡管我們先前討論的所有測試均適用于模塊級測試，但測試的是整個模塊的KPI，并未細(xì)分到各個組件的關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPI）。

如果要將設(shè)備級和模塊級測試結(jié)果從實驗室轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)車間，高效的做法當(dāng)然是復(fù)用實驗室的驗證硬件和測試軟件。 我們討論的許多測試過程，包括晶圓級測試或生產(chǎn)-模塊級測試，都廣泛應(yīng)用到離岸裝配和測試公司或合同制造商的生產(chǎn)環(huán)境中。 而且由于優(yōu)化單元測試成本可以將測試儀成本、測試時間和占地面積最小化，因此您將再次受益于與像NI這樣的公司合作，因為NI可以將臺式測試設(shè)備復(fù)用到生產(chǎn)測試儀中，并利用PXI來縮短測試時間。

圖5. 從特性分析到生產(chǎn)均適用的通用平臺

系統(tǒng)級FMCW激光雷達測試

至此，所有激光雷達硬件和軟件都組合在一起進行系統(tǒng)級測試。 理想的系統(tǒng)級測試會將完整的FMCW激光雷達放到一個小室內(nèi)，并以光學(xué)方式模擬真實世界的遠(yuǎn)程環(huán)境，從而誘騙激光雷達建立一個模擬該真實環(huán)境的點云。 在本文撰寫之時，市場上并未出現(xiàn)低成本的商用FMCW全點云仿真方法。

但是，我們可以光學(xué)模擬對象和目標(biāo)，這對于驗證光學(xué)器件和算法以及執(zhí)行校準(zhǔn)以及生產(chǎn)測試過程極為有用。NI合作伙伴（比如Konrad Technologies、Dvin Technologies和Averna）致力于提供激光雷達對象仿真和環(huán)境仿真解決方案。

我們還可以將信號以數(shù)字方式注入光學(xué)器件后面，以使激光雷達系統(tǒng)認(rèn)為它看到了完整的點云。

由于沒有理想的系統(tǒng)級驗證，因此大多數(shù)工程師只能依賴于現(xiàn)場測試。 他們在室內(nèi)或室外放置已知對象及其特征，以便激光雷達系統(tǒng)成像。 然后根據(jù)實際情況驗證激光雷達的性能，并判定系統(tǒng)合格/不合格。 盡管許多公司目前采用該方法來進行激光雷達系統(tǒng)的線下生產(chǎn)測試，但這種方法不具備擴展性。

圖6. 激光雷達現(xiàn)場測試范圍

結(jié)論

激光雷達技術(shù)正在不斷發(fā)展。 要使無人駕駛汽車成為現(xiàn)實，還有許多工作要做，F(xiàn)MCW激光雷達將是其中的主要貢獻者。 但是基于本文討論的挑戰(zhàn)，顯然，具有不同領(lǐng)域?qū)I(yè)知識的公司需要合作，才有可能使激光雷達商業(yè)化。 讓我們共同努力，針對不同的挑戰(zhàn)制定高效的解決方案。 我們的NI ADAS/自動駕駛團隊將隨時待命，期待您與我們聯(lián)系，共啟成功之旅?！　?/p>