SiPM傳感器提升LiDAR的性能表現

LiDAR（激光雷達）是一種測距技術(shù)，越來(lái)越多地用于移動(dòng)測距、汽車(chē)ADAS（高級駕駛員輔助系統）、手勢識別和3D映射等應用，市場(chǎng)發(fā)展潛力極為驚人。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(kāi)發(fā)套件。

LiDAR采用ToF技術(shù)來(lái)測量距離

LiDAR早先稱(chēng)為光雷達，因為那時(shí)使用的光源均非激光，但自激光器出現以來(lái)，激光作為高亮度、低發(fā)散的相干光特別適合作光雷達的光源，所以光雷達均使用激光器作光源，名稱(chēng)也就統稱(chēng)為激光雷達了。

LiDAR是一種集激光，全球定位系統（GPS）和慣性導航系統（INS）三種技術(shù)于一身的系統，用于獲得點(diǎn)云數據并生成精確的數字化三維模型。這三種技術(shù)的結合，可以在一致絕對測量點(diǎn)位的情況下獲取周?chē)娜S實(shí)景。

LiDAR系統主要由激光器、相控陣、微機電系統、掃描儀和光學(xué)組件、光電探測器和接收器電子器件、定位和導航系統、傳感器等幾個(gè)主要組件構成。依照不同的設計理念，可以分類(lèi)成基于方向、基于掃描機制、基于平臺等不同類(lèi)型。

LiDAR采用飛行時(shí)間（Time of flight, ToF）技術(shù)來(lái)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(chēng)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(chēng)為間接飛行時(shí)間（iToF），通過(guò)計算發(fā)射信號與其回波之間的時(shí)間延遲來(lái)計算距離。iToF適用于更短距離的深度傳感應用，并在室內環(huán)境和傳感器沒(méi)有受到陽(yáng)光直射的環(huán)境中使用，dToF則適用于短程和長(cháng)程的深度傳感應用。 

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)現的單光子雪崩二極管（SPAD）的固態(tài)單光子敏感器件，可應對低至單光子水平的低光信號的感測、計時(shí)和量化挑戰。傳統上屬于光電倍增管（PMT）領(lǐng)域的SiPM現在提供了一種極具吸引力的替代方案，它結合了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(chǎng)不敏感、機械堅固性和出色的響應均勻性等特點(diǎn)。由于這些特性，SiPM在醫學(xué)成像、危險和威脅檢測、生物光子學(xué)、高能物理和LiDAR領(lǐng)域迅速獲得了經(jīng)過(guò)驗證的性能。

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。

與傳統的PMT相比，光電子增益通常更具確定性，從而導致極低至可忽略的超額噪聲系數。因此，固定數量的檢測到的光子的SNR（信噪比）可以高于PMT。相反，PMT的隨機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)數量級，從而在不飽和的情況下，實(shí)現更快的成像速率或更高的SNR。此外，硅電子器件的大規模生產(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(lái)越多的測距和傳感應用希望從低功耗、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(cháng)的LiDAR應用，例如汽車(chē)ADAS、3D深度圖、移動(dòng)、消費和工業(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(lái)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確確定系統性能，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23米的精確測距，而不會(huì )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)現系統要求，擁有低功耗特性，能以較低的工作電壓和簡(jiǎn)單的讀出電路允許低功耗設計，具有高帶寬和快速響應時(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)現良好的SNR，采用標準CMOS制造工藝，具備低成本、高度一致和可擴展的生產(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(kāi)發(fā)套件

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

這個(gè)高度集成的SECO-RANGEFINDER-GEVK開(kāi)發(fā)工具套件，是一套采用SiPM dToF的LiDAR平臺，該開(kāi)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)測距儀應用的完整開(kāi)發(fā)套件，適用于需要成本優(yōu)化的工業(yè)和商業(yè)應用。

這個(gè)開(kāi)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組件，包含了所有基本子系統，用于涉及激光和參考電路（Tx）、接收電路（Rx）、電源管理系統、以及核心FPGA和UART通信的應用。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，并可以調整系統變量，例如SiPM-RB光電倍增管的脈沖數或偏置電壓。

SECO-RANGEFINDER-GEVK開(kāi)發(fā)工具套件可用于單點(diǎn)應用的dToF操作，具有大于0.11米至23米的可探測范圍，運行方便快捷，具有專(zhuān)用的用戶(hù)友好的GUI，可進(jìn)行開(kāi)箱即用操作，系統變量可調節，并可優(yōu)化系統成本，內置時(shí)間-數字轉換器（TDC），基于FPGA（ice3），約為85ps倉寬度，可執行自動(dòng)TDC校準（FPGA參考時(shí)鐘），支持不同電源選項，包括USB（5V）與PMOD連接器（3.3V），并具有優(yōu)化的系統成本。

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(lèi)激光產(chǎn)品的功率要求，且通過(guò)符合激光安全標準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標準認證。

此開(kāi)發(fā)平臺還帶有藍牙?開(kāi)發(fā)套件（BDK?GEVK）和其他各種傳感器和執行器的可擴展系統，并提供多種軟件，包括適用于各種工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)應用的軟件可調設置、基于FPGA的TDC，支持讀出、通信接口，以及兩個(gè)穩壓偏置電源的控制。該開(kāi)發(fā)平臺可應用于室內導航和測距（探測距離可達23m）、碰撞檢測、3D映射等應用。

結語(yǔ)

隨著(zhù)LiDAR相關(guān)技術(shù)的逐漸成熟，其成本也逐漸降低到市場(chǎng)可接受的程度，結合自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，有更多的汽車(chē)也開(kāi)始大量采用LiDAR系統來(lái)偵測距離、避免碰撞、創(chuàng )建3D映射，另外在消費性產(chǎn)品市場(chǎng)中，掃地機器人、無(wú)人機等產(chǎn)品，也是LiDAR的重要應用領(lǐng)域，未來(lái)的市場(chǎng)潛力極為可觀(guān)，值得有興趣的廠(chǎng)家加快腳步投入相關(guān)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，搶占市場(chǎng)商機。