人類駕駛車輛已有一百多年的歷史，但安全記錄卻不十分出色。雖然車輛現在比以往更加安全，但在世界許多地區，汽車事故和死亡人數仍在增加。這種趨勢可以部分歸因於駕駛者面臨的干擾因素越來越多。
為了持續提升汽車安全性，汽車工程師採用先進駕駛輔助系統 (ADAS)，能夠在碰撞發生之前自動偵測並減少碰撞。這些系統能夠持續同時監控車輛周圍 360 度半徑範圍內的所有物體，並在其中任一個物體構成重大威脅時採取規避措施。图 1 以圖形方式顯示車輛周圍偵測到的物體。
图 1. 以圖形方式呈現光達式點雲
人類駕駛員最多只能一次監視一個方向上的障礙物，同時定期查看後視鏡和側視鏡以觀察車輛周圍的物體。人類駕駛也只能粗略估計車輛附近物體的距離和速度。光達型先進駕駛輔助系統 (ADAS) 不僅能使用隱形雷射同時監控車輛周圍的所有物體，也能在不受干擾的情況下，以高準確度判斷這些物體的距離與速度。如需有關光達技術的詳細資訊，請參閱白皮書《汽車光達簡介》。
光達系統已問世十多年；然而，其尺寸、複雜性和成本導致其在主流汽車中的難以推動。不久前，光達系統的成本還超過 50,000 美元，而且體積非常龐大，佔用了車輛的大部分車頂空間。隨著元件整合技術的最新進展，光達模組目前的上市價格低於 200 美元，使其價格與攝影機和雷達等其他感測器技術不相上下。图 2 等光達模組現在也足夠小，可以分散安裝在許多區域，包括擋風玻璃後面以及車頭燈和車尾燈中，進而提供更精緻的設計。除了攝影機和雷達感測器之外，整合了光達的 ADAS 可從這三種感測器技術的優勢中獲益。
图 2. 安裝在車輛頂部的光達模組
攝影機感測器技術可以「看到色彩」，在車輛需要區分交通交叉路口的訊號燈顏色時，此技術相當重要。但是，攝影機在環境光線較差的環境中難以正常運作，並且在惡劣的天氣條件下也會出現問題。另一方面，光達模組則可提供自己的照明，並在缺乏環境光時也能展現良好的效能。而光達處理技術也有了最新的進展，可讓一些系統判斷物體顏色的差異。
頻率調變連續波 (FMCW) 光達架構對霧、雨、雪等惡劣天氣條件具有非常好的抗擾性。雷達感測器在惡劣天氣條件下也能發揮良好的性能，但由於其固有波長尺寸（77GHz 為 4mm），難以達到長距離分辨小特徵所需的解析度。光達系統使用波長 905nm 至 1,550nm 的短光波，能夠以高解析度感測距離³300m 內的小型物體。FMCW 光達也能運用都卜勒原理來同時判斷物體的距離與速度。
更快速、更精確的長距離物體偵測
光達開發人員面臨的最大挑戰之一是如何建立雷射傳輸，以準確地偵測長距離物體，同時又能確保眼睛安全。即使雷射波長為 1,550nm，仍可能傳輸足夠的光功率以造成眼部受損。
脈衝飛時測距光達系統必須傳輸強大但短的雷射脈衝，才能進行長距離量測。大多數的雷射驅動器是用於啟動氮化鎵 (GaN) 場效應電晶體 (FET)，並產生脈衝寬度數奈秒的電流脈衝。TI 的 LMH13000 整合式雷射驅動器不需要外部 GaN FET 或大型電容器，並可驅動上升和下降時間 <800ps 的雷射，且溫度變化小於 2%，如 图 3 所示。較短雷射脈衝的測量距離可延長高達 30%。
图 3. 離散式雷射驅動器與 GaN FET 與 LMH13000 整合式雷射驅動器的雷射脈衝時間比較
LMH13000 可以準確地為雷射提供 50mA 至 5A 的電流，而多個 LMH13000 裝置並聯使用則可以驅動電流高於5A 的雷射。由於雷射驅動器不需要外部 FET 或大型電容器，因此與離散式解決方案相較，可以將雷射驅動器電路的尺寸縮小四倍。LMH13000 具有短脈衝寬度產生和電流控制功能，使系統符合 Class 1 FDA 眼部安全標準。
離散式雷射驅動器解決方案的脈衝持續時間也可能隨溫度變化高達 30%，這使得在系統溫度變化時，確保眼睛安全成為更具挑戰性的任務。LMH13000 的輸出電流在裝置操作溫度範圍內僅有 2% 的變化，進而提高了整個溫度範圍內測量的可重複性。
典型的光達模組設計包括數個類比和數位子系統。图 4 重點介紹了模組中的雷射訊號產生、光感測器組件、類比前端和數位處理子系統。從雷射驅動器電路中消除 GaN FET 和大型電容器等外部元件，不僅可縮小系統體積並提升性能，而且使實作更具成本效益。
图 4. 光達模組設計中的子系統，包括雷射訊號產生、光感測器元件、類比前端和數位處理子系統
結論
在 ADAS 中，光達技術可協助車輛在碰撞發生之前自動偵測並減輕碰撞。隨著 ADAS 性能的提升以及其成本和尺寸的縮減，未來將有可能製造出無需人工干預或監督即可駕駛的主流車輛。設計人員能夠運用如 LMH13000 等裝置，更輕鬆地打造下一代光達系統，讓車輛能在任何環境下進行感測。
其他資源
• 訂購 LMH13000RQEEVM 評估模組以開始使用。
• 閱讀《汽車光達簡介》白皮書。
