硅光電倍增管傳感器如何實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)的大規(guī)模應(yīng)用

近年來(lái)，激光雷達(dá)被越來(lái)越多地應(yīng)用于汽車、工業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域，因其在探測(cè)距離以及角度和深度分辨率等方面都有著明顯的優(yōu)勢(shì)，尤其是硅光電倍增管 (SiPM) 技術(shù)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，具備獨(dú)特的功能集，已成為廣闊市場(chǎng)深度傳感應(yīng)用的首選傳感器。安森美半導(dǎo)體作為擁有此技術(shù)的市場(chǎng)領(lǐng)袖，提供高性能的硅基單光子探測(cè)器，為激光雷達(dá)解決更遠(yuǎn)的距離要求、超低目標(biāo)反射率的探測(cè)、對(duì)環(huán)境光等噪聲的抑制的技術(shù)挑戰(zhàn)，同時(shí)大幅降低整體成本，有助于實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)的大規(guī)模應(yīng)用。

為何需要深度信息？

因?yàn)檎鎸?shí)場(chǎng)景是3D圖像，而攝像頭呈現(xiàn)的是2D圖像，如果是簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)讓人看場(chǎng)景的功能，其應(yīng)用是足夠的，但對(duì)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)具有挑戰(zhàn)性。深度數(shù)據(jù)消除了圖像的模糊性，有助于區(qū)分場(chǎng)景中的實(shí)體并賦予其含義。激光雷達(dá)通過(guò)發(fā)射激光，計(jì)算反射回來(lái)的時(shí)間，可測(cè)算出被測(cè)物體的距離，在整個(gè)視場(chǎng)內(nèi)通過(guò)多次重復(fù)測(cè)量，降低環(huán)境光的干擾獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)并可建立強(qiáng)度圖像，從而構(gòu)建出一個(gè)立體空間的3D模型。由于激光雷達(dá)可以準(zhǔn)確測(cè)距，從而降低視覺(jué)方案中的算法分析難度。

激光雷達(dá)功能模塊

激光雷達(dá)系統(tǒng)由以下6個(gè)主要硬件功能塊組成：發(fā)射、接收、波束控制、光學(xué)器件、讀出電路、電源和系統(tǒng)。安森美半導(dǎo)體提供光電探測(cè)器，還提供激光系統(tǒng)中符合車規(guī)的驅(qū)動(dòng)芯片、電源芯片、放大器和讀出芯片等整體系統(tǒng)硬件解決方案。

圖1 激光雷達(dá)功能模塊

單光子雪崩光電二級(jí)管(SPAD)和SiPM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

市場(chǎng)上的光電探測(cè)器類型有PIN二級(jí)管、線性雪崩光電二極管(APD)、SPAD和SiPM。相比之下，SPAD和SiPM基于蓋革模式，具有高靈敏度、高增益、供電電壓低、一致性極好等優(yōu)勢(shì)。SiPM是由多個(gè)SPAD 微單元組成，具有很高的動(dòng)態(tài)范圍，可以用作光子計(jì)數(shù)器。SiPM能在明亮的陽(yáng)光條件下進(jìn)行長(zhǎng)距離測(cè)距時(shí)提供最佳的信噪比性能。其他優(yōu)勢(shì)包括較低的電源偏置和較低的溫度變化敏感性，采用大批量CMOS工藝生產(chǎn)，可實(shí)現(xiàn)最低的探測(cè)器成本。

圖2 激光雷達(dá)的光電探測(cè)器類型

SiPM用于汽車激光雷達(dá)

在汽車領(lǐng)域，激光雷達(dá)與圖像傳感器、超聲波雷達(dá)等感知模式互補(bǔ)和提供冗余，將不同傳感器對(duì)某一目標(biāo)或環(huán)境特征描述的信息互相比對(duì)，綜合成統(tǒng)一的特征表達(dá)，提高感知的準(zhǔn)確性和精度，從而提升先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)和自動(dòng)駕駛的安全性。

汽車應(yīng)用要求能進(jìn)行遠(yuǎn)距離、廣視角的深度感知，并要求深度感知能應(yīng)對(duì)低反射率物體、環(huán)境光噪聲等挑戰(zhàn)。成本是個(gè)主要的驅(qū)動(dòng)因素，影響到對(duì)技術(shù)的選擇。深度感知技術(shù)、波長(zhǎng)以及傳感器技術(shù)是影響技術(shù)決策的關(guān)鍵因素。

目前，深度感知方式主要有直接飛行時(shí)間法 (dToF，測(cè)量時(shí)間差)、間接飛行時(shí)間法 (iToF，測(cè)量相位差) 和調(diào)頻連續(xù)波法 (FMCW，測(cè)量拍頻)。其中，iToF僅適用于短距離測(cè)距（<10米），只能檢測(cè)到最強(qiáng)的回波。FMCW適用于短距離到長(zhǎng)距離，但需要更多的計(jì)算能力，獲得點(diǎn)云的時(shí)間更長(zhǎng)，幀率更低，可以使用便宜的PIN二極管探測(cè)器，但由于使用具有良好偏振控制和高規(guī)格輸出的可調(diào)諧激光器，因此總體成本較高。相比之下，dToF優(yōu)勢(shì)明顯，適用于短距到長(zhǎng)距 (0.1m – 300m)，可檢測(cè)到多個(gè)回波，整個(gè)范圍內(nèi)精度高，兼容高功率、短脈沖，保持眼睛安全性。

波長(zhǎng)選擇方面，主要有近紅外波段如850 nm、905 nm、940 nm和短波紅外波段如1350nm, 1550nm。從可制造性和元器件成本來(lái)看，近紅外波段都較短波紅外波段更有優(yōu)勢(shì)，且近紅外波段在雨中性能影響不大，而短波紅外波段在雨中吸水會(huì)降低性能，更高的激光功率還可能導(dǎo)致散熱問(wèn)題。

安森美半導(dǎo)體重點(diǎn)提供硅基單光子探測(cè)器芯片激光雷達(dá) (LiDAR)方案，主攻近紅外處波段，即大力倡導(dǎo)基于SiPM探測(cè)器+ 近紅外(NIR)波長(zhǎng) + dToF LiDAR方案。公司在固態(tài)LiDAR領(lǐng)域的多個(gè)設(shè)計(jì)導(dǎo)入獲驗(yàn)證，批量付運(yùn)給LiDAR設(shè)計(jì)導(dǎo)入的產(chǎn)品包括已量產(chǎn)的R系列SiPM、1x16/1x12 SiPM 陣列和工程樣品3D ToF SPAD 陣列，并提供評(píng)估板、參考設(shè)計(jì)和套件以幫助設(shè)計(jì)人員快速將產(chǎn)品落地。

而且，安森美半導(dǎo)體從一開(kāi)始就考慮汽車認(rèn)證去設(shè)計(jì)光電探測(cè)器及其封裝，并采用CMOS工藝，推出全球首款符合車規(guī)AEC-Q102的SiPM光電探測(cè)器ArrayRDM-0112A20-QFN，為激光雷達(dá)量產(chǎn)化鋪平道路。ArrayRDM-0112A20-QFN是單片1×12 SiPM像素陣列，基于安森美半導(dǎo)體領(lǐng)先市場(chǎng)的RDM工藝，可實(shí)現(xiàn)對(duì)近紅外光的高靈敏度，從而在905納米(nm)處達(dá)到領(lǐng)先業(yè)界的18.5％的光子探測(cè)效率 (PDE) 。 SiPM的高內(nèi)部增益使其靈敏度可達(dá)到單光子水平，該功能與高PDE結(jié)合使用，可以檢測(cè)最微弱的返回信號(hào)。因此，即使是低反射目標(biāo)，也能探測(cè)到更遠(yuǎn)的距離(達(dá)300米以上)。更遠(yuǎn)的距離使車輛有更多時(shí)間來(lái)應(yīng)對(duì)意外障礙，從而提升道路安全性。

圖3 用于激光雷達(dá)的車規(guī)級(jí) SiPM陣列ArrayRDM-0112A20-QFN

SiPM用于工業(yè)激光雷達(dá)

激光雷達(dá)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也非常廣泛，如料位監(jiān)控、存儲(chǔ)檢索、堆高控制、材料厚度測(cè)量、占用檢測(cè)、物體檢測(cè)和分類、空倉(cāng)檢測(cè)、人數(shù)計(jì)算/檢測(cè)、安保等。安森美半導(dǎo)體推出的SiPM dToF LiDAR 參考平臺(tái) SECO-RANGEFINDER-GEVK是具成本優(yōu)勢(shì)的單點(diǎn)dToF激光雷達(dá)系統(tǒng)，適用于室內(nèi)導(dǎo)航、測(cè)距、碰撞檢測(cè)和3D制圖，測(cè)距范圍0.11 m 到 23 m，可作為評(píng)估套件或完整的參考設(shè)計(jì)，開(kāi)箱即用，具有易于使用的圖形用戶界面(GUI)，可調(diào)節(jié)系統(tǒng)變量，時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)具有自動(dòng)校準(zhǔn)功能，軟件可調(diào)設(shè)置適用于各種工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用，符合激光安全標(biāo)準(zhǔn)IEC / EN 60825-1:2014 、21 CFR 1040.10 和1040.11 (Laser Notice No. 56除外)，獲美國(guó)食品和藥物管理局(FDA)認(rèn)證。

圖4 SiPM dToF LiDAR 參考平臺(tái): SECO-RANGEFINDER-GEVK

此外，安森美半導(dǎo)體的矩陣型激光雷達(dá)評(píng)估套件Pandion EVK3 - PAN-400100-A-AI-GEVK3，固態(tài)光源Flash可以感知三米內(nèi)的深度，掃描式的波速控制 (Beam Steering)可感知到100米左右的深度。它可用于評(píng)估，由Demo 3和DevWare處理的點(diǎn)云用于可視化，也可作為完整的輸出方案，構(gòu)建到定制的LiDAR傳感器中，由客戶ECU或處理器處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，還可作為參考設(shè)計(jì)，安森美半導(dǎo)體可提供PCB 電路圖、布板、物料單(BOM)和 FPGA 代碼。

總結(jié)

LiDAR提供的高分辨率深度數(shù)據(jù)可在充滿挑戰(zhàn)的微光條件下即時(shí)準(zhǔn)確地識(shí)別物體，正越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于汽車感知、工業(yè)測(cè)距等應(yīng)用領(lǐng)域。SiPM和SPAD是實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)系統(tǒng)的核心器件，安森美半導(dǎo)體是擁有此技術(shù)的市場(chǎng)領(lǐng)袖，提供業(yè)界最高靈敏度、最佳一致性和低噪聲的產(chǎn)品，致力于實(shí)現(xiàn)符合車規(guī)、高增益、低成本、尺寸緊湊的光電探測(cè)器，解決行業(yè)挑戰(zhàn)，并提供參考設(shè)計(jì)和評(píng)估套件，幫助設(shè)計(jì)人員簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)，以加快實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)的大規(guī)模應(yīng)用。