如何取消激光雷达接收器的环境光

飞行时间（ToF）激光雷达面临的一个更困难的挑战是接收信号链所需的高灵敏度。通常，准直（平行光线）激光脉冲被发送到一个点。准直激光源的优点是它限制了发散造成的光损失，并使光斑尺寸在距离内保持恒定。然而，一旦光线照射到物体上，这种光就会向多个方向反弹——这称为散射。反射回光源的光量与 1/R 成正比2，也称为平方反比定律。在短距离内，检测物体并不困难。然而，为了检测>100米处的物体，需要高增益来检测由于平方反比定律损失而导致的少量反射光。在接收器中使用高增益的后果之一是环境光对信号链的影响。太阳是波长范围很广的光源。激光雷达系统通常选择900 nm和1550 nm的波长，因为这些光谱中来自太阳的光自然为零。不幸的是，为了探测远处的物体，我们在接收器中获得了显着的收益，即使光谱中有这些自然零点，太阳的环境光也会使接收器饱和。这有效地使系统失明并使其无用。本文将探讨如何减轻环境光对激光雷达接收器链的影响的解决方案。

基本

退后一步，激光用于发出狭窄的光脉冲;该激光脉冲击中目标，光线从物体反射。检测器用于测量该反射返回所需的时间。通过了解光速和激光脉冲的往返时间，可以计算出距离。通常，脉冲激光的振幅越高，返回信号就越大。对于远程激光雷达，激光功率的人眼安全限制了现代系统的范围。曲线下的面积决定了脉冲的能量，如图1所示。通过达到更高的峰值功率，必须减小该脉冲的宽度，以使曲线下的面积低于眼睛安全限值。因此，我们的目标是提供宽度相对较窄的高振幅激光脉冲。在当前的LIDAR系统中，脉冲宽度约为5 ns，并且正在向更短的脉冲宽度移动。激光雷达需要考虑的另一个方面是散射。通常，使用雪崩光电二极管（APD）检测器来提供光增益，以解决平方反比定律问题。APD有利于信号链，因为跨阻放大器（TIA）是信号链中噪声的限制因素。通过在检波器中施加增益，可以降低系统的输入参考噪声。请记住，APD存在局限性，增益过大会在击穿时产生较差的噪声性能。

激光雷达挑战

与任何其他工程问题一样，需要权衡取舍。接收信号链需要具有足够高的带宽来检测~5 ns宽激光脉冲的边缘，并且检波器的电容需要很小，以不限制TIA带宽。较小的电容也有助于APD的散粒噪声，因为它们彼此成比例。对于实际应用，必须平衡灵敏度、带宽和功耗。在接收信号链中获得更高增益的另一个挑战是随之而来的大动态范围。现代APD的反向偏置接近300伏，以实现这些更大的增益。当高反射物体非常靠近探测器时，问题变得明显。这种大信号与APD相对较大的增益相结合，可能导致数百mA电流流过TIA。大多数通信TIA不能在这种事件中幸存下来，更不用说在下一个脉冲周期的合理时间内恢复了。幸运的是，激光雷达专用TIA具有内置箝位，可分流电流并在100 ns以下恢复。通过占空比和关闭未使用的通道来解决电源问题。考虑到这些，最后一个大问题是来自环境光的直流光电流，解决这个问题并非易事。

交流耦合与直流耦合输入

乍一看，一个简单的解决方案是将输入耦合到TIA以阻止直流电。不幸的是，这种方法有很多陷阱。饱和恢复时间将受到影响，使系统失明。如果来自近距离物体的大脉冲，交流电容器将被充电。TIA只能向交流电容注入少量电流，因为反馈电阻（大约为10 kΩ至100 kΩ）限制了电流。根据电容器的值，RC时间常数非常大，可能需要数百μs才能恢复。这是不可接受的，因为通常为2 m检测分配100 μs的时间，并且我们将错过来自更远物体的信号。交流耦合TIA的另一个缺陷是激光源的重复率。当您交流耦合输入脉冲时，脉冲将在交流电容上取平均值。探测器的信号是单极性的，会慢慢地为交流电容器充电。该电容器上会产生直流偏移。这系统地减小了TIA的线性范围，直流偏移将根据重复率和返回信号的幅度而变化。有关交流输入耦合TIA的更详细分析，请参阅“如何有效设计和优化LIDAR系统的TIA接口”一文。幸运的是，直流耦合输入避免了所有这些细微差别和次级效应，但代价是增加了复杂性。消除此电流的有效方法是集成闭环电路，将相反的电流注入TIA的输入。