SiPM傳感器提升LiDAR的性能表現(xiàn)

LiDAR（激光雷達(dá)）是一種測距技術(shù)，越來越多地用于移動(dòng)測距、汽車ADAS（高級駕駛員輔助系統(tǒng)）、手勢識別和3D映射等應(yīng)用，市場發(fā)展?jié)摿O為驚人。本文將為您介紹LiDAR的發(fā)展趨勢，以及由安森美（onsemi）所推出的硅光電倍增管（SiPM）直接飛行時(shí)間（dToF）LiDAR平臺開發(fā)套件。

LiDAR采用ToF技術(shù)來測量距離

LiDAR早先稱為光雷達(dá)，因?yàn)槟菚r(shí)使用的光源均非激光，但自激光器出現(xiàn)以來，激光作為高亮度、低發(fā)散的相干光特別適合作光雷達(dá)的光源，所以光雷達(dá)均使用激光器作光源，名稱也就統(tǒng)稱為激光雷達(dá)了。

LiDAR是一種集激光，全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）三種技術(shù)于一身的系統(tǒng)，用于獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)并生成精確的數(shù)字化三維模型。這三種技術(shù)的結(jié)合，可以在一致絕對測量點(diǎn)位的情況下獲取周圍的三維實(shí)景。

LiDAR系統(tǒng)主要由激光器、相控陣、微機(jī)電系統(tǒng)、掃描儀和光學(xué)組件、光電探測器和接收器電子器件、定位和導(dǎo)航系統(tǒng)、傳感器等幾個(gè)主要組件構(gòu)成。依照不同的設(shè)計(jì)理念，可以分類成基于方向、基于掃描機(jī)制、基于平臺等不同類型。

LiDAR采用飛行時(shí)間（Time of flight, ToF）技術(shù)來測量距離，量測物質(zhì)、粒子或是波（聲波或電磁波）在介質(zhì)中行進(jìn)需要的時(shí)間，其可以用直接的方式偵測行進(jìn)物體，稱為直接飛行時(shí)間（dToF），也可以用間接的散射光進(jìn)行量測，稱為間接飛行時(shí)間（iToF），通過計(jì)算發(fā)射信號與其回波之間的時(shí)間延遲來計(jì)算距離。iToF適用于更短距離的深度傳感應(yīng)用，并在室內(nèi)環(huán)境和傳感器沒有受到陽光直射的環(huán)境中使用，dToF則適用于短程和長程的深度傳感應(yīng)用。 

SiPM傳感器具有LiDAR所需的性能

SiPM是一種傳感器，是基于在普通硅襯底上實(shí)現(xiàn)的單光子雪崩二極管（SPAD）的固態(tài)單光子敏感器件，可應(yīng)對低至單光子水平的低光信號的感測、計(jì)時(shí)和量化挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)上屬于光電倍增管（PMT）領(lǐng)域的SiPM現(xiàn)在提供了一種極具吸引力的替代方案，它結(jié)合了PMT的低光檢測能力，同時(shí)提供固態(tài)傳感器的所有優(yōu)勢。SiPM具有低電壓操作、對磁場不敏感、機(jī)械堅(jiān)固性和出色的響應(yīng)均勻性等特點(diǎn)。由于這些特性，SiPM在醫(yī)學(xué)成像、危險(xiǎn)和威脅檢測、生物光子學(xué)、高能物理和LiDAR領(lǐng)域迅速獲得了經(jīng)過驗(yàn)證的性能。

使用SiPM作為光電傳感器與APD、PIN二極管和PMT等替代傳感器技術(shù)相比具有許多優(yōu)勢，特別是對于移動(dòng)和大批量產(chǎn)品。SiPM是一種單光敏、高性能、固態(tài)傳感器，它由帶有集成焠火電阻器的緊密排列的SPAD傳感器組成，從而形成具有高增益（~1x106）、高檢測效率（> 50%）和快速定時(shí)（次納秒的上升時(shí)間）的產(chǎn)品特性。

與傳統(tǒng)的PMT相比，光電子增益通常更具確定性，從而導(dǎo)致極低至可忽略的超額噪聲系數(shù)。因此，固定數(shù)量的檢測到的光子的SNR（信噪比）可以高于PMT。相反，PMT的隨機(jī)增益通常需要更多檢測到的光子才能獲得相同的SNR。如果大量的SPAD排列在一起，動(dòng)態(tài)范圍可以比PMT大幾個(gè)數(shù)量級，從而在不飽和的情況下，實(shí)現(xiàn)更快的成像速率或更高的SNR。此外，硅電子器件的大規(guī)模生產(chǎn)，使得SiPM的制造成本相對于真空管而言將更為低廉。 

高增益和高帶寬的SiPM傳感器

在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）中，越來越多的測距和傳感應(yīng)用希望從低功耗、高性能SiPM技術(shù)中獲益。特別是使用對人眼安全的近紅外（NIR）波長的LiDAR應(yīng)用，例如汽車ADAS、3D深度圖、移動(dòng)、消費(fèi)和工業(yè)測距。

為了利用SiPM傳感器的高增益和高帶寬，可以使用dToF以最低的功率預(yù)算提供精確的測距。安森美SiPM的高靈敏度允許使用低功率激光器來提高眼睛安全性。安森美已經(jīng)創(chuàng)建了一個(gè)軟件模型，允許在各種輸入條件下準(zhǔn)確確定系統(tǒng)性能，以及一個(gè)包含SiPM傳感器的硬件測距平臺。利用SiPM傳感器的高增益和高帶寬，dToF可用于提供高達(dá)23米的精確測距，而不會影響電池壽命。

安森美推出的SiPM傳感器可以提供從250 nm到1100 nm的單光子檢測，支持低電壓可易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求，擁有低功耗特性，能以較低的工作電壓和簡單的讀出電路允許低功耗設(shè)計(jì)，具有高帶寬和快速響應(yīng)時(shí)間，可最小化范圍測量時(shí)間，并能夠利用低激光功率dToF測距技術(shù)的優(yōu)勢，擁有低噪聲和高增益特性，可實(shí)現(xiàn)良好的SNR，采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS制造工藝，具備低成本、高度一致和可擴(kuò)展的生產(chǎn)，并采用小尺寸SMT封裝，可提供僅1 mm的傳感器。 

SiPM dToF LiDAR平臺開發(fā)套件

由安森美推出的SiPM dToF LiDAR平臺開發(fā)套件，展示了一個(gè)完整的測距應(yīng)用，并幫助開發(fā)人員熟悉底層技術(shù)和所有必要的構(gòu)建模塊。此外，該套件有助于評估系統(tǒng)的核心組件，例如SiPM傳感器。通過硬件上提供的測試點(diǎn)和GUI上的各種功能和可配置參數(shù)，開發(fā)人員將找到一種快速且用戶友好的方式來評估套件，并加快應(yīng)用開發(fā)的速度。

這個(gè)高度集成的SECO-RANGEFINDER-GEVK開發(fā)工具套件，是一套采用SiPM dToF的LiDAR平臺，該開發(fā)板提供即插即用功能，它由SiPM組成，它是一種單光敏、高性能、固態(tài)傳感器，是一個(gè)單點(diǎn)測距儀應(yīng)用的完整開發(fā)套件，適用于需要成本優(yōu)化的工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用。

這個(gè)開發(fā)工具套件是基于安森美最新的NIR SiPM（RB系列），并集成了所有必要的系統(tǒng)組件，包含了所有基本子系統(tǒng)，用于涉及激光和參考電路（Tx）、接收電路（Rx）、電源管理系統(tǒng)、以及核心FPGA和UART通信的應(yīng)用。這個(gè)套件包括一個(gè)多功能GUI，可以對測距性能進(jìn)行全面評估，并可以調(diào)整系統(tǒng)變量，例如SiPM-RB光電倍增管的脈沖數(shù)或偏置電壓。

SECO-RANGEFINDER-GEVK開發(fā)工具套件可用于單點(diǎn)應(yīng)用的dToF操作，具有大于0.11米至23米的可探測范圍，運(yùn)行方便快捷，具有專用的用戶友好的GUI，可進(jìn)行開箱即用操作，系統(tǒng)變量可調(diào)節(jié)，并可優(yōu)化系統(tǒng)成本，內(nèi)置時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC），基于FPGA（ice3），約為85ps倉寬度，可執(zhí)行自動(dòng)TDC校準(zhǔn)（FPGA參考時(shí)鐘），支持不同電源選項(xiàng)，包括USB（5V）與PMOD連接器（3.3V），并具有優(yōu)化的系統(tǒng)成本。

該套件采用的激光和光學(xué)器件包括RB系列SiPM傳感器、905nm激光二極管發(fā)射器、650-1050 nm鍍膜的BK7平凸透鏡，可最大化測量距離，并具有905±5nm帶通光學(xué)濾波器（FWHM為30±5 nm）用于接收電路，可在所選頻譜中達(dá)到最高靈敏度，并符合BS EN 60825?1:2014在正常操作條件和單一故障條件下對1類激光產(chǎn)品的功率要求，且通過符合激光安全標(biāo)準(zhǔn)IEC/EN 60825-1:2014和21 CFR 1040.10和1040.11（第56號激光通告的偏差除外）與FDA標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。

此開發(fā)平臺還帶有藍(lán)牙?開發(fā)套件（BDK?GEVK）和其他各種傳感器和執(zhí)行器的可擴(kuò)展系統(tǒng)，并提供多種軟件，包括適用于各種工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的軟件可調(diào)設(shè)置、基于FPGA的TDC，支持讀出、通信接口，以及兩個(gè)穩(wěn)壓偏置電源的控制。該開發(fā)平臺可應(yīng)用于室內(nèi)導(dǎo)航和測距（探測距離可達(dá)23m）、碰撞檢測、3D映射等應(yīng)用。

結(jié)語

隨著LiDAR相關(guān)技術(shù)的逐漸成熟，其成本也逐漸降低到市場可接受的程度，結(jié)合自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，有更多的汽車也開始大量采用LiDAR系統(tǒng)來偵測距離、避免碰撞、創(chuàng)建3D映射，另外在消費(fèi)性產(chǎn)品市場中，掃地機(jī)器人、無人機(jī)等產(chǎn)品，也是LiDAR的重要應(yīng)用領(lǐng)域，未來的市場潛力極為可觀，值得有興趣的廠家加快腳步投入相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)，搶占市場商機(jī)。