汽車LiDAR系統(tǒng)智慧之眼——探測器該怎么選？

　　據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，現(xiàn)有LiDAR(激光雷達(dá))系統(tǒng)已被用于從安全應(yīng)用到測繪，再到工業(yè)自動(dòng)化等各類創(chuàng)新應(yīng)用。其中，汽車市場對LiDAR系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用尤其關(guān)注。LiDAR掃描儀是自動(dòng)駕駛汽車原型系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，也是當(dāng)前交通標(biāo)志識(shí)別、自適應(yīng)巡航控制(ACC)、盲點(diǎn)檢測、防撞系統(tǒng)和車道偏離警告等系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件。

　　在上述所有基于LiDAR的系統(tǒng)中，有一種核心組件不可或缺，那便是LiDAR系統(tǒng)的“智慧之眼”——探測器。

　　本文旨在簡析LiDAR系統(tǒng)原始設(shè)備制造商(OEM)設(shè)計(jì)工程師在各種探測器技術(shù)中如何做出選擇。

　　背景

　　汽車LiDAR系統(tǒng)必須能夠快速可靠地感知車輛周圍環(huán)境，盡可能細(xì)節(jié)豐富地創(chuàng)建周圍環(huán)境和前方道路的3D圖像。安裝在快速行駛車輛上的LiDAR系統(tǒng)，需要能夠“看到”前方至少150 m的距離，并探測高度小至10 cm的障礙物。

　　汽車LiDAR掃描系統(tǒng)示意圖

　　上述要點(diǎn)對LiDAR系統(tǒng)的探測器，提出了極具挑戰(zhàn)的技術(shù)要求。

　　因而LiDAR系統(tǒng)需要互補(bǔ)但又獨(dú)立的探測器系統(tǒng)，同時(shí)能夠確保環(huán)境認(rèn)證和功能安全性。例如，為了適應(yīng)來自系統(tǒng)其他組件的熱量和環(huán)境溫度，設(shè)備的額定工作溫度需要達(dá)到-40 ~ 125 ℃。并且，為了能夠在各種背景噪音中準(zhǔn)確“看到并識(shí)別”信號(hào)，探測器應(yīng)具有理想的信噪比。此外，光學(xué)探測器還需要做好處理不同強(qiáng)度環(huán)境光的準(zhǔn)備，因此要求探測器必須具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍。

　　除了基本的物理定律，LiDAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還需要考慮經(jīng)濟(jì)性。汽車中的所有組件都需要成本效益。對于實(shí)際應(yīng)用，最佳的性價(jià)比是先進(jìn)技術(shù)能否成功應(yīng)用的關(guān)鍵。

　　目前，基本所有采用遠(yuǎn)距離LiDAR的現(xiàn)有汽車系統(tǒng)都應(yīng)用了“掃描型”LiDAR設(shè)備，可以在整個(gè)場景中移動(dòng)掃描激光束。當(dāng)前技術(shù)的有效探測范圍一般為30~300 m。幾乎所有的LiDAR系統(tǒng)都使用了905 nm激光器(市場上也有部分企業(yè)如Blackmore、Neptec、Aeye和Luminar則正在研究應(yīng)用1550 nm波長的激光器)，該波長的激光器可以低成本地批量制造，發(fā)射非可見光高功率短脈沖光束(例如，75 W峰值持續(xù)5 ns)，提供了理想的功率/成本比。這些激光器已被廣泛應(yīng)用于先進(jìn)的低成本硅探測器。

　　選擇最合適的探測器技術(shù)

　　隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，設(shè)計(jì)工程師可以為LiDAR系統(tǒng)選擇多種不同的探測器技術(shù)，每種技術(shù)都有各自的利弊。

　　硅PIN二極管探測器

　　這類硅基探測器具有三種類型(P型/本征/N型)半導(dǎo)體層疊在一起形成的結(jié)構(gòu)。

　　它們具有最佳的動(dòng)態(tài)范圍，可以處理大幅變化的光。例如，即使面對陽光直射，它們也能夠探測遠(yuǎn)處物體的反射。而且，它們相對經(jīng)濟(jì)。

　　不過，它們沒有能力提供大多數(shù)復(fù)雜汽車LiDAR系統(tǒng)所需要的高水平信噪比和帶寬。最后，它們的速度既不快也不夠靈敏。

　　硅光電倍增管(SiPM)和單光子雪崩二極管(SPAD)探測器

　　這些固態(tài)硅基探測器的制造商，最初是為專業(yè)的小型醫(yī)療和科研應(yīng)用而打造的。近來，它們正積極嘗試在更大的LiDAR市場中尋求應(yīng)用。

　　雖然這類探測器在功能性方面類似APD(雪崩光電二極管，下文討論)，但它們針對極高的內(nèi)部放大或增益進(jìn)行了優(yōu)化，使它們能夠檢測極微弱的光。并且，它們的速度非?？?。最后，它們與常用的CMOS技術(shù)兼容，因此可以在同一芯片上與相關(guān)電子器件耦合。

　　然而，與APD的靈敏度相比，這類探測器的單光子計(jì)數(shù)器的靈敏度相當(dāng)?shù)汀Ｒ虼?，他們必須依靠極高的多級(jí)倍增。遺憾的是，在倍增過程中，同時(shí)也提高了噪聲，這通常會(huì)顯著降低探測器的信噪比。此外，它們的放大機(jī)制也會(huì)遭受到由高溫引起的誤觸發(fā)。

　　據(jù)推測，這類探測器最關(guān)鍵的缺點(diǎn)是它們的高增益是以飽和問題為代價(jià)的。

　　首先，LiDAR探測器需要處理從前方物體反射回來的激光。不僅如此，一些LiDAR系統(tǒng)指定要求寬視場的掃描器。這為SPAD或SiPM探測器增加了大量的光線。此外，LiDAR系統(tǒng)在移動(dòng)環(huán)境中經(jīng)常遇到的某些狀況(例如對方車輛遠(yuǎn)光燈、明亮的陽光或其他LiDAR系統(tǒng))，可能會(huì)使探測器面對超過其處理能力的情況而飽和，即使使用光學(xué)濾波器也會(huì)如此。