人類駕駛汽車已有一百多年歷史，但安全記錄卻不盡如人意。盡管如今的車輛比以往任何時候都更安全，但在世界許多地區，汽車事故和傷亡人數仍在不斷上升。這一趨勢在一定程度上可歸咎于駕駛員面臨的干擾因素日益增多。

為持續提升汽車安全性，汽車工程師們引入了高級駕駛輔助系統 (ADAS)，該系統能夠在碰撞發生前自動檢測并降低碰撞風險。這些系統能夠持續且同步監測車輛周圍 360 度范圍內的所有物體，一旦其中某個物體構成緊迫威脅，系統便會采取避讓措施。圖 1 以圖形方式展示了車輛周圍檢測到的物體。

圖 1：基于激光雷達的點云的圖形表示

人類駕駛員一次最多只能留意一個方向的障礙物，期間還得不時瞥一眼后視鏡和側后視鏡，才能了解車輛周邊的情況。而且，人類駕駛員也只能大致估算出附近物體與車輛的距離和速度。基于激光雷達的高級駕駛輔助系統 (ADAS) 則能利用不可見激光，不僅可以同時監測車輛周圍的所有物體，還能在不受干擾的情況下準確地測定這些物體的距離和速度。

激光雷達系統早在十多年前就已問世，但由于其體積大、結構復雜且成本高昂，一直未能在主流汽車領域得到廣泛應用。就在不久前，激光雷達系統的價格還超過 5 萬美元，而且體積龐大，占據了車頂的大部分空間。然而，隨著近期元件集成技術的進步，如今激光雷達模塊的價格已降至 200 美元以下，與攝像頭和雷達等其他傳感器技術的價格相當。如今的激光雷達模塊體積小巧（如圖 2 所示），能夠靈活且巧妙地安裝在多個位置，例如擋風玻璃后方、前照燈和尾燈內，讓車輛外觀設計更加簡潔流暢。當把激光雷達與攝像頭、雷達傳感器集成于高級駕駛輔助系統 (ADAS) 中時，該系統便能充分汲取并發揮這三種傳感器技術的優勢。

圖 2：安裝在車輛頂部的激光雷達模塊

攝像頭傳感器技術能夠“識別顏色”，這在車輛需要區分交通路口信號燈顏色的場景中至關重要。然而，攝像頭在環境光線不佳的情況下表現欠佳，并且在惡劣天氣條件下也會出現問題。另一方面，激光雷達模塊可自行提供照明，在環境光線不足時也能良好運行。近期，激光雷達處理技術取得了一些進展，使得部分系統能夠分辨物體顏色的差異。

調頻連續波 (FMCW) 激光雷達架構對霧、雨、雪等惡劣天氣條件具有很強的抗干擾能力。雷達傳感器在惡劣天氣條件下同樣表現良好，但其固有波長（工作頻率 77GHz，對應波長為 4mm）限制了其在遠距離下解析微小特征的能力，難以滿足所需的分辨率要求。激光雷達系統使用波長較短的光波（905 nm 至 1550 nm），能夠在超過 3300m 的距離上以高分辨率感知微小物體。此外，調頻連續波 (FMCW) 激光雷達還能利用多普勒原理同時測定物體的距離和速度。

對于激光雷達開發者而言，最大的挑戰之一在于如何實現激光發射，使其既能在遠距離下精準探測物體，同時又能保證對人眼的安全性。即便是采用 1550nm 的激光波長，其傳輸的光功率也可能足以對人眼造成損傷。

脈沖飛行時間激光雷達系統必須發射出功率強大但持續時間較短的激光脈沖，才能實現遠距離測量。大多數激光驅動器被用于驅動氮化鎵 (GaN) 場效應晶體管 (FET)，并產生脈沖寬度為幾納秒的電流脈沖。德州儀器 (TI) 的LMH13000 集成激光驅動器無需外部氮化鎵 (GaN) 場效應晶體管 (FET) 或大容量電容器。它能夠驅動激光，其上升和下降時間小于 800ps，并且在不同溫度下的變化幅度小于 2%，如圖 3 所示。更短的激光脈沖能夠使測量距離增加多達 30%。

圖 3：分立式激光驅動器和氮化鎵 (GaN) 場效應晶體管 (FET) 與 LMH13000 集成激光驅動器的激光脈沖時間對比

LMH13000 能夠精確地為激光器提供 50mA 至 5A 的電流，并且多個并聯使用的 LMH13000 器件能夠驅動電流超過 5A 的激光器。由于這款激光驅動器無需外部場效應晶體管 (FET) 和大容量電容器，與分立式解決方案相比，它能夠將激光驅動器電路的尺寸縮小至原來的四分之一。LMH13000 能夠生成短脈沖寬度并實現電流控制，這使得該系統能夠滿足美國食品藥品監督管理局 (FDA) 的 1 類人眼安全標準。

分立式激光驅動器解決方案在不同溫度下的脈沖持續時間變化幅度可能高達 30%，這使得隨著系統溫度的變化，確保人眼安全變得頗具挑戰性。LMH13000 的輸出電流在其工作溫度范圍內的變化幅度僅為 2%，這提高了在不同溫度下測量的可重復性。

一個典型的激光雷達模塊設計包含多個模擬和數字子系統。圖 4 突出展示了該模塊中的激光信號生成、光傳感器元件、模擬前端和數字處理子系統。從激光驅動器電路中去除氮化鎵 (GaN) 場效應晶體管 (FET) 和大容量電容器等外部元件，不僅能夠縮減系統體積、優化系統性能，還能實現更高的成本效益。

圖 4：激光雷達模塊設計中的子系統、包括激光信號生成、光傳感器元件、模擬前端和數字處理子系統

在高級駕駛輔助系統 (ADAS) 中，激光雷達有助于車輛在碰撞發生前自動檢測并降低碰撞風險。隨著 ADAS 性能的提升、成本的降低和體積的減小，未來有望制造出無需人類干預與監控，即可自行行駛的主流汽車產品。憑借 LMH13000 這類器件，設計人員能夠更輕松地打造下一代激光雷達系統，使車輛在任何環境下都能進行感知。