淺談SiPM 傳感器在汽車 LiDAR的應(yīng)用

可以通過傳感技術(shù)獲取有關(guān)我們周圍環(huán)境的信息，以造福于我們的日常生活：要么提高任務(wù)效率、我們的安全，要么純粹用于娛樂目的。LiDAR就是這樣一種傳感技術(shù)，它使用激光來測量與物體的距離，并可用于創(chuàng)建周圍環(huán)境的 3D 模型。LiDAR系統(tǒng)捕獲的圖像中的每個(gè)像素都將具有與其關(guān)聯(lián)的深度。這允許更好地識(shí)別對(duì)象并消除可能存在于僅由圖像傳感器獲得的 2D 圖像中的任何歧義。

LiDAR如何構(gòu)建 3D 點(diǎn)云？LiDAR通常使用直接飛行時(shí)間 (dToF) 技術(shù)來測量與物體的距離。發(fā)出一個(gè)短激光脈沖，其中一些光被場景中的物體反射回來并被傳感器檢測到，例如ArrayRDM-0112A20-QFN，以準(zhǔn)確記錄激光脈沖往返所需的時(shí)間（見圖1）。使用已知的光速，距離可以從這個(gè) dToF 測量中計(jì)算出來。這給出了視場內(nèi)的單個(gè)距離測量值。

為了構(gòu)建周圍環(huán)境的完整圖片，需要在場景中的許多不同位置重復(fù)此點(diǎn)測量。這可以通過在整個(gè)場景中旋轉(zhuǎn)和掃描的固定傳感器和激光器來實(shí)現(xiàn)，或者通過使用光束控制技術(shù)，如 MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）鏡子。

圖 1. dToF 技術(shù)說明。

一般來說，LiDAR系統(tǒng)依賴于以下關(guān)鍵組件：照明源、傳感器、光學(xué)器件、光束控制、信號(hào)處理和電源管理（圖 2）。對(duì)于性能，最關(guān)鍵的元素是照明源和傳感器。照明通常受眼睛安全考慮的限制，因此對(duì)系統(tǒng)性能的最大影響通常取決于傳感器。

圖 2.包括傳感器元件的 dToFLiDAR系統(tǒng)的解剖結(jié)構(gòu)。

在許多情況下，系統(tǒng)需要在有限的信號(hào)返回下運(yùn)行，這些信號(hào)來自遠(yuǎn)處或低反射率的物體，其中信號(hào)可能只包含少量光子。因此，傳感器應(yīng)盡可能靈敏。激光雷達(dá)的靈敏度傳感器是不同因素的組合。首先，檢測效率，即入射光子產(chǎn)生信號(hào)的概率，是最重要的。然后是對(duì)低入射通量或最小可檢測信號(hào)的敏感性。某些傳感器（例如 PIN 二極管）沒有內(nèi)部增益，因此檢測到的單個(gè)光子不會(huì)超過固有傳感器噪聲。雪崩光電二極管 (APD) 具有一定的內(nèi)部增益 (~100x)，但仍然由少量光子組成的入射信號(hào)不會(huì)記錄在噪聲之上，這需要它在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)返回的信號(hào)進(jìn)行積分。在蓋革模式下運(yùn)行的傳感器，例如SiPM（硅光電倍增管）和 SPAD（單光子雪崩二極管）具有一百萬 (1,000,000x) 數(shù)量級(jí)的內(nèi)部增益，因此即使是單個(gè)光子也能產(chǎn)生可以在高于內(nèi)部傳感器噪聲的情況下可靠檢測的信號(hào)。這允許人們設(shè)置一個(gè)低閾值來檢測最微弱的返回信號(hào)。

雖然的SiPM和SPAD的克服了許多噪音問題，由于其高增益，在實(shí)際的激光雷達(dá)應(yīng)用中有噪音的另一個(gè)來源是要考慮需求-環(huán)境太陽背景或干脆把陽光。我們經(jīng)常試圖在受到來自太陽的不需要的光的轟擊時(shí)檢測非常微弱的LiDAR返回信號(hào)。因此，問題變成了最大化信號(hào)（返回的激光）而忽略或最小化噪聲（陽光）的問題之一。一種方法是利用傳感器的單光子靈敏度并尋找時(shí)間相關(guān)的光子。

這種多脈沖 dToF 測量方法是通過多次重復(fù)該過程（多個(gè)激光脈沖導(dǎo)致每個(gè) dToF 測量）來實(shí)現(xiàn)的。不是為每次測量計(jì)算距離，而是將每個(gè) ToF 值添加到直方圖或分布圖中。結(jié)果是一個(gè)類似于圖 3 所示的圖。背景計(jì)數(shù)在時(shí)間上是不相關(guān)的——也就是說，它們相對(duì)于脈沖發(fā)射時(shí)間隨機(jī)到達(dá)。這些計(jì)數(shù)可以忽略，因?yàn)樗鼈兪怯申柟庖鸬脑肼?。峰值代表相關(guān)的計(jì)數(shù)及時(shí) – 大量計(jì)數(shù)都以相同的時(shí)間值到達(dá)，表明來自目標(biāo)的信號(hào)。該峰值可以轉(zhuǎn)換為特定幀的距離，并且該過程可以重新開始。即使每幀每像素有幾十個(gè)激光周期，也可以實(shí)現(xiàn) 30 fps 的幀速率。

圖 3. 示例LiDARToF 直方圖

雖然SiPM或 SPAD 傳感器可以將其單光子靈敏度與時(shí)間相關(guān)技術(shù)結(jié)合使用來查看微弱的返回信號(hào)，但 PIN 二極管或 APD 傳感器會(huì)由于在太陽背景中丟失而直接錯(cuò)過這些計(jì)數(shù)。因此，這些其他類型的傳感器根本無法測得那么遠(yuǎn)或那么有效。

深度信息如何在現(xiàn)實(shí)世界中使用，激光雷達(dá)如何提供幫助？迄今為止，消費(fèi)者移動(dòng)應(yīng)用程序必須僅通過圖像傳感器技術(shù)啟用許多功能，例如使用結(jié)構(gòu)光。幾年來，飛行時(shí)間 (ToF) 技術(shù)已在某種程度上融入手機(jī)，以增加深度感應(yīng)并啟用快速自動(dòng)對(duì)焦和“散景”人像效果等攝影功能。最近，dToF 成像 LiDAR 傳感器已集成到最新的消費(fèi)類移動(dòng)設(shè)備中，，與以前的技術(shù)相比，它提供了更好的深度信息，無疑將大大增加使用這些數(shù)據(jù)的移動(dòng)應(yīng)用程序的數(shù)量。3D 信息可用于啟用 3D 地圖應(yīng)用程序和改進(jìn)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí) (AR/VR) 體驗(yàn)。

在安全是關(guān)鍵的汽車和工業(yè)應(yīng)用中，圖像傳感器單獨(dú)用于物體識(shí)別以及自主決策和導(dǎo)航的局限性突出了通過融合不同傳感模式對(duì)附加信息的需求。LiDAR可與其他傳感技術(shù)（如攝像頭、超聲波和雷達(dá)）結(jié)合使用，以提供額外的冗余，提高負(fù)責(zé)導(dǎo)航或與環(huán)境交互的決策算法的置信度。這些技術(shù)中的每一種都具有獨(dú)特的特性，可提供不同級(jí)別的信息，在不同情況下各有利弊。

圖 4. 不同傳感器技術(shù)的比較

為了實(shí)現(xiàn)汽車的高性能LiDAR系統(tǒng)，SiPM等高靈敏度傳感器是最有效的接收器。安森美半導(dǎo)體的SiPM提供無與倫比的性能和操作參數(shù)組合：高光子檢測效率、低噪聲和暗計(jì)數(shù)率以及低操作電壓、溫度敏感性和工藝均勻性。

所述ArrayRDM-0112A20-QFN，一個(gè)12像素線陣的SiPM，地址市場對(duì)激光雷達(dá)。它在 905 nm 處具有行業(yè)領(lǐng)先的 18% 光子檢測效率，這是具有成本效益的廣泛市場LiDAR系統(tǒng)的典型波長。

編輯：hfy