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作者：安森美半導體 激光雷達(LiDAR)是一種測距技術(shù)，近年來(lái)越來(lái)越多地用于汽車(chē)先進(jìn)駕駛輔助系統(ADAS)、手勢識別和3D映射等應用。尤其在汽車(chē)領(lǐng)域，隨著(zhù)傳感器融合的趨勢，LiDAR結合成像、超聲波、毫米波雷達，互為補足，為汽車(chē)提供全方位感知，為邁向更安全的自動(dòng)駕駛鋪平道路。安森美半導體提供這全系列傳感器方案且技術(shù)遙遙領(lǐng)先，在單光子雪崩二極管(SPAD)和硅光電倍增管(SiPM)傳感器技術(shù)是市場(chǎng)領(lǐng)袖之一，提供完整的LiDAR方案，包括系統、傳感器、輸出和激光驅動(dòng)器方案。 安森美半導體完整的LiDAR方案 1個(gè)LiDAR系統有6個(gè)主要的硬件功能塊：傳輸、接收、光束轉向、光學(xué)器件、輸出和電源管理。典型的LiDAR系統框圖如圖1所示。其中，安森美半導體可提供SiPM/SPAD、激光驅動(dòng)器參考設計、電源管理、放大與處理以及時(shí)序、直方圖、點(diǎn)云生成乃至系統等。成熟的模擬SiPM 產(chǎn)品有C系列、J系列、R系列。系統有SiPM 陣列掃描LiDAR 演示儀（超過(guò)100 m掃描距離）、把SiPM 與圖像傳感器融合的FUSEONE、最新的400 x 100 SPAD 陣列Pandion。 
圖1：典型的LiDAR系統框圖 什么是SPAD、SiPM和ToF SPAD是一種工作在蓋革模式(Geiger Mode)的光電二極管，就像光子觸發(fā)開(kāi)關(guān)一樣，處于“開(kāi)”或“關(guān)”狀態(tài)。SiPM是由多個(gè)獨立的SPAD傳感器組成，每個(gè)傳感器都有自己的淬滅電阻，從而克服單個(gè)SPAD不能同時(shí)測量多個(gè)光子的不足。飛行時(shí)間(ToF)指給目標發(fā)送光脈沖然后傳感器接收從目標返回的光所需的時(shí)間。通過(guò)光速和ToF，可計算出目標距離，概念很簡(jiǎn)單，但卻受到現實(shí)世界諸多挑戰，包括苛刻的環(huán)境如光照條件、低反射率目標及長(cháng)距等。目前共有兩種ToF測量技術(shù)：?jiǎn)渭す饷}沖法和多激光脈沖法。單激光脈沖法指每次測量單個(gè)脈沖返回的時(shí)間，要求高的信噪比(SNR)。多激光脈沖法指每次測量多個(gè)脈沖返回的時(shí)間，通過(guò)直方圖數據來(lái)獲得距離，若提高SNR可實(shí)現更遠距離的探測。ToF LiDAR可用于許多應用，如機器人、無(wú)人機、工業(yè)、移動(dòng)、汽車(chē)ADAS和自動(dòng)駕駛及增強實(shí)境(AR)/虛擬實(shí)境(VR)等。 SiPM和SPAD正成為新興的LiDAR探測器 SiPM和SPAD可探測距離超過(guò)200 m、5%的低反射率目標，在明亮的陽(yáng)光下也能工作，分辨率極佳，且盡可能小的光圈和固態(tài)設計實(shí)現緊湊的系統集成到汽車(chē)中，并極具成本優(yōu)勢，正成為新興的LiDAR探測器。 汽車(chē)LiDAR傳感器要求 1. 嚴格的一致性 由于SiPM/SPAD工作在蓋革模式下，所以很難控制產(chǎn)品的一致性。安森美半導體是目前全球真正有能力大批量量產(chǎn)SiPM產(chǎn)品的供應商，其提供的數百萬(wàn)傳感器的電壓和增益非常一致，易于系統校準和降低制造成本。 2. 符合車(chē)規（IATF 16949、AEC Q102、-40至1050C工作溫度、符合PPAP） 安森美半導體在汽車(chē)生產(chǎn)方面積累了多年的專(zhuān)業(yè)經(jīng)驗，有非常完善的車(chē)規產(chǎn)品的質(zhì)量監督和控制體系，從一開(kāi)始設計就考慮了汽車(chē)認證去設計傳感器和封裝。 3. 在905 nm處高的光子探測率(PDE) 安森美半導體的SiPM如今具有同類(lèi)最佳的PDE，超過(guò)12%，2020年將達30%。 4. 高增益 SiPM的增益是雪崩光電二極管(APD)的1萬(wàn)倍，是PIN二極管的100萬(wàn)倍，串擾<20，提供出色的SNR。 SiPM 陣列掃描LiDAR 系統 該SiPM 陣列掃描LiDAR含16個(gè)905 nm 激光二極管、1個(gè)用于光束轉向的機電旋轉鏡、安森美半導體的單片1 x 16 SiPM 陣列和處理電子器件，視場(chǎng)角(AoV) 80°x 5.53°，脈寬1 ns，系統峰值功率400 W，系統尺寸22 cm x 18 cm x 13 cm。這系統采用1D陣列同時(shí)采樣多個(gè)垂直點(diǎn)，并結合水平單軸掃描，可獲得視場(chǎng)的完整圖像，實(shí)現長(cháng)距低反射率目標的實(shí)時(shí)成像。 FUSEONE系統：融合圖像和LiDAR FUSEONE結合200萬(wàn)像素汽車(chē)級圖像傳感器和基于SiPM的閃光LiDAR，通過(guò)軟件應用程序融合攝像機和LiDAR，獲得目標距離、移動(dòng)速率等數據，高靈敏度的SiPM 探測器和幻影智能算法實(shí)現增強的距離能力。由于無(wú)需機械式的雷達掃描，FUSEONE極具成本優(yōu)勢。該系統采用8個(gè)SiPM和2個(gè)905 nm激光二極管，脈寬20 ns，峰值功率80 W，接收器光路徑采用43 nm帶通濾波器，Xilinx FPGA 用于邊緣處理全波形采集，AoV 為25° x 3.6°，在戶(hù)外20 klux的光照條件下，行人檢測達45 m，汽車(chē)檢測達85 m。 Pandion SPAD陣列實(shí)現長(cháng)距掃描LiDAR 400×100 SPAD 陣列具有CMOS 邏輯器件，陣列尺寸14 mm × 3 mm，像素間距38.6 um，采用卷簾快門(mén)讀出（100通道并行讀出），被動(dòng)淬滅主動(dòng)復位(PQAR)特性可獲得<5 ns恢復時(shí)間，擊穿電壓達3.3 V以上。區別于傳統的點(diǎn)云，Pandion SPAD LiDAR已形成了圖像。
圖2：Pandion探測不同距離不同反射率的目標
圖3：Pandion采用光子計數獲得的強度圖像
圖4：Pandion在微光水平下的強度圖像 總結 SiPM和SPAD技術(shù)是實(shí)現LiDAR系統中接收器功能的關(guān)鍵，基于蓋革模式雪崩原理，實(shí)現緊湊、高增益的傳感器，安森美半導體是這些技術(shù)的市場(chǎng)領(lǐng)袖，提供完整的LiDAR方案，包括SiPM傳感器、SiPM 陣列掃描LiDAR系統、融合SiPM閃光LiDAR和圖像的FUSEONE系統以及Pandion SPAD陣列，具有強固、性?xún)r(jià)比高、符合車(chē)規等優(yōu)勢，并積極研發(fā)創(chuàng )新，同時(shí)為設計人員提供廣泛的現場(chǎng)應用支援、相關(guān)的應用注釋和視頻庫、產(chǎn)品演示系統、經(jīng)驗證模型的仿真數據等，解決設計挑戰和推動(dòng)創(chuàng )新。 |
