基于SPAD/SiPM技術(shù)的激光雷達(dá)方案

激光雷達(dá)(LiDAR)是一種測距技術(shù)，近年來越來越多地用于汽車先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)、手勢識別和3D映射等應(yīng)用。尤其在汽車領(lǐng)域，隨著傳感器融合的趨勢，LiDAR結(jié)合成像、超聲波、毫米波雷達(dá)，互為補(bǔ)足，為汽車提供全方位感知，為邁向更安全的自動駕駛鋪平道路。安森美半導(dǎo)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)是市場領(lǐng)袖之一，提供完整的LiDAR方案，包括系統(tǒng)、傳感器、輸出和激光驅(qū)動器方案。

安森美半導(dǎo)體完整的LiDAR方案

1個LiDAR系統(tǒng)有6個主要的硬件功能塊：傳輸、接收、光束轉(zhuǎn)向、光學(xué)器件、輸出和電源管理。典型的LiDAR系統(tǒng)框圖如圖1所示。其中，安森美半導(dǎo)體可提供SiPM/SPAD、激光驅(qū)動器參考設(shè)計、電源管理、放大與處理以及時序、直方圖、點(diǎn)云生成乃至系統(tǒng)等。成熟的模擬SiPM 產(chǎn)品有C系列、J系列、R系列。系統(tǒng)有SiPM陣列掃描LiDAR演示儀(超過100m掃描距離)、把SiPM與圖像傳感器融合的FUSEONE、最新的400x100 SPAD 陣列Pandion。

圖1：典型的LiDAR系統(tǒng)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)開關(guān)一樣，處于“開”或“關(guān)”狀態(tài)。SiPM是由多個獨(dú)立的SPAD傳感器組成，每個傳感器都有自己的淬滅電阻，從而克服單個SPAD不能同時測量多個光子的不足。飛行時間(ToF)指給目標(biāo)發(fā)送光脈沖然后傳感器接收從目標(biāo)返回的光所需的時間。通過光速和ToF，可計算出目標(biāo)距離，概念很簡單，但卻受到現(xiàn)實世界諸多挑戰(zhàn)，包括苛刻的環(huán)境如光照條件、低反射率目標(biāo)及長距等。目前共有兩種ToF測量技術(shù)：單激光脈沖法和多激光脈沖法。單激光脈沖法指每次測量單個脈沖返回的時間，要求高的信噪比(SNR)。多激光脈沖法指每次測量多個脈沖返回的時間，通過直方圖數(shù)據(jù)來獲得距離，若提高SNR可實現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的探測。ToF LiDAR可用于許多應(yīng)用，如機(jī)器人、無人機(jī)、工業(yè)、移動、汽車ADAS和自動駕駛及增強(qiáng)實境(AR)/虛擬實境(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200m、5%的低反射率目標(biāo)，在明亮的陽光下也能工作，分辨率極佳，且盡可能小的光圈和固態(tài)設(shè)計實現(xiàn)緊湊的系統(tǒng)集成到汽車中，并極具成本優(yōu)勢，正成為新興的LiDAR探測器。

汽車LiDAR傳感器要求

1. 嚴(yán)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(dǎo)體是目前全球真正有能力大批量量產(chǎn)SiPM產(chǎn)品的供應(yīng)商，其提供的數(shù)百萬傳感器的電壓和增益非常一致，易于系統(tǒng)校準(zhǔn)和降低制造成本。

2. 符合車規(guī)(IATF 16949、AEC Q102、-40至1050C工作溫度、符合PPAP)

安森美半導(dǎo)體在汽車生產(chǎn)方面積累了多年的專業(yè)經(jīng)驗，有非常完善的車規(guī)產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)督和控制體系，從一開始設(shè)計就考慮了汽車認(rèn)證去設(shè)計傳感器和封裝。

3. 在905nm處高的光子探測率(PDE)

安森美半導(dǎo)體的SiPM如今具有同類最佳的PDE，超過12%，2020年將達(dá)30%。

4. 高增益

SiPM的增益是雪崩光電二極管(APD)的1萬倍，是PIN二極管的100萬倍，串?dāng)_<20，提供出色的SNR。

SiPM陣列掃描LiDAR系統(tǒng)

該SiPM陣列掃描LiDAR含16個905nm激光二極管、1個用于光束轉(zhuǎn)向的機(jī)電旋轉(zhuǎn)鏡、安森美半導(dǎo)體的單片1x16 SiPM 陣列和處理電子器件，視場角(AoV)80°x5.53°，脈寬1ns，系統(tǒng)峰值功率400W，系統(tǒng)尺寸22cm x 18cm x 13cm。這系統(tǒng)采用1D陣列同時采樣多個垂直點(diǎn)，并結(jié)合水平單軸掃描，可獲得視場的完整圖像，實現(xiàn)長距低反射率目標(biāo)的實時成像。

FUSEONE系統(tǒng)：融合圖像和LiDAR

FUSEONE結(jié)合200萬像素汽車級圖像傳感器和基于SiPM的閃光LiDAR，通過軟件應(yīng)用程序融合攝像機(jī)和LiDAR，獲得目標(biāo)距離、移動速率等數(shù)據(jù)，高靈敏度的SiPM 探測器和幻影智能算法實現(xiàn)增強(qiáng)的距離能力。由于無需機(jī)械式的雷達(dá)掃描，F(xiàn)USEONE極具成本優(yōu)勢。該系統(tǒng)采用8個SiPM和2個905nm激光二極管，脈寬20ns，峰值功率80W，接收器光路徑采用43nm帶通濾波器，Xilinx FPGA用于邊緣處理全波形采集，AoV為25°x3.6°，在戶外20klux的光照條件下，行人檢測達(dá)45m，汽車檢測達(dá)85m。

Pandion SPAD陣列實現(xiàn)長距掃描LiDAR

400×100 SPAD陣列具有CMOS 邏輯器件，陣列尺寸14mm × 3mm，像素間距38.6um，采用卷簾快門讀出(100通道并行讀出)，被動淬滅主動復(fù)位(PQAR)特性可獲得<5ns恢復(fù)時間，擊穿電壓達(dá)3.3V以上。區(qū)別于傳統(tǒng)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(biāo)

圖3：Pandion采用光子計數(shù)獲得的強(qiáng)度圖像

圖4：Pandion在微光水平下的強(qiáng)度圖像

總結(jié)

SiPM和SPAD技術(shù)是實現(xiàn)LiDAR系統(tǒng)中接收器功能的關(guān)鍵，基于蓋革模式雪崩原理，實現(xiàn)緊湊、高增益的傳感器，安森美半導(dǎo)體是這些技術(shù)的市場領(lǐng)袖，提供完整的LiDAR方案，包括SiPM傳感器、SiPM陣列掃描LiDAR系統(tǒng)、融合SiPM閃光LiDAR和圖像的FUSEONE系統(tǒng)以及Pandion SPAD陣列，具有強(qiáng)固、性價比高、符合車規(guī)等優(yōu)勢，并積極研發(fā)創(chuàng)新，同時為設(shè)計人員提供廣泛的現(xiàn)場應(yīng)用支援、相關(guān)的應(yīng)用注釋和視頻庫、產(chǎn)品演示系統(tǒng)、經(jīng)驗證模型的仿真數(shù)據(jù)等，解決設(shè)計挑戰(zhàn)和推動創(chuàng)新。