SiPM，車載激光雷達的下一塊拼圖

激光雷達作為一種利用激光測量速度、位置與距離的傳感器，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機器人、無人機、L2級別以上汽車等產(chǎn)品中，甚至是作為主要傳感器的存在。要按不同的技術(shù)來分類的話，激光雷達可以從掃描方式、發(fā)射方式等角度分成多個大類。

探測器是激光雷達接收端的核心組件之一，在dToF激光雷達中，主要用于接收返回的脈沖激光并將其轉(zhuǎn)化為電流，隨后用于測距等計算。以所用光電探測器的種類不同，目前主要分為PMT（光電倍增管）、PD（Pin光電二極管）、APD（雪崩光電二極管）、SPAD（單光子雪崩二極管）、SiPM（硅光電倍增管）這幾種類型。

對于汽車激光雷達而言，APD在技術(shù)成熟度上更高，依然占據(jù)主流方案，但隨著激光雷達對探測距離要求的提高，這一器件開始看向增益更高的SPAD與SiPM。

高出主流方案幾個數(shù)量級的增益

要說增益能力的話，SPAD和SiPM絕對是稱霸光電探測器的。毫無增益的PD切不論，單憑APD數(shù)十?dāng)?shù)百的增益，是完全無法與以10⁶為數(shù)量級的SPAM與SiPM相提并論的。這也是為何SiPM擁有更高的光子探測效率（PDE）的原因，這一參數(shù)和激光功率決定了激光雷達的探測距離，而后者是由發(fā)射端的激光器決定的。
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RDM系列SiPM / 安森美

電子發(fā)燒友網(wǎng)就SiPM的優(yōu)勢采訪了安森美中國汽車市場現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)理陳力，他補充道：除了高增益外，SiPM的工作電壓也顯著小于上百伏的APD，同時對電壓波動和溫度變化的敏感度也遠小于APD。因為SiPM是模擬器件，溫度變化會導(dǎo)致工作點遷移，理想輸出值應(yīng)該只受激光強度影響，但溫度漂移會惡化輸出的線性特性，通常產(chǎn)品需要標(biāo)定和補償溫漂的影響。
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不同探測器參數(shù)對比/ 米蘭理工大學(xué)

除此之外，像素數(shù)量也是SiPM的重要指標(biāo)之一。作為由SAPD陣列并聯(lián)組成的光電探測器，SiPM的像素數(shù)量標(biāo)識了該感光芯片可以支持同時掃描的線數(shù)。芯片像素越多，高分辨率激光雷達需要集成的感光芯片越少，可以降低系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜度和成本。

至于SPAD與SiPM的選擇，陳力也給出了自己的觀點，他表示，一般SPAD有更高的靈敏度，其輸出是二值化的0或1，判斷是否感知到激光；SiPM的靈敏度相對低一些，但其輸出能區(qū)分激光強度的大小。二者在產(chǎn)品中體現(xiàn)了靈敏度和輸出動態(tài)范圍的不同平衡點。因此在兩者的選擇上，更多是看激光雷達廠商自己的權(quán)衡。

不同波長下的選擇

在現(xiàn)有的SiPM產(chǎn)品中，我們在詳細參數(shù)中看到都是在等于或低于905nm波長的表現(xiàn)，作為目前激光雷達最常選用的波長，以此作為標(biāo)準(zhǔn)確實沒問題，但SiPM在其他波長下，比如另一常用近紅外光波長1550nm下的表現(xiàn)如何呢？這就與SiPM本身的材料有關(guān)了，我們從“硅”光電倍增管這個名字就知道這一組件是基于何種材料了。陳力解釋道，SiPM作為硅基傳感器，一般只會感知波長小于1000nm的紅外光。所以常用905nm下的PDE作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。
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安森美中國汽車市場現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)理陳力

正因如此，如果廠商打造的是基于1550nm波長下的激光雷達，還是得用其他的非硅基的光電探測器，比如基于InGaAs或是InP的SPAD。但我們在上文中提到了激光功率是決定探測范圍的另一大因素，而1550nm的激光雷達可以做到更高的功率，所以探測距離上占優(yōu)，不過相對應(yīng)的成本也會高出來一些。這對比汽車本身的成本可能不算什么，可隨著車載激光雷達數(shù)目的增多，整車自動駕駛系統(tǒng)的價格就會高出不少了。

談到1550nm的光源就不得不提及廣泛使用它的FMCW激光雷達，大家對FMCW激光雷達的前景極為看好，不過目前商用量產(chǎn)的卻少之又少。陳力認為，dToF激光雷達技術(shù)更成熟，成本相對較低，但抗干擾能力弱一些。FMCW激光雷達要調(diào)制激光，光源控制復(fù)雜，需要更強的算法計算能力，整體系統(tǒng)成本高。這兩大技術(shù)路線各有特點，都在向更好性價比的方向發(fā)展。

結(jié)語

市面上常見的主要還是做SPAD的探測器廠商較多，目前也有一些廠商在往SiPM上發(fā)力，比如安森美、濱松、博通、靈明光子、京邦科技等等，但正如激光雷達本體和其它汽車零部件一樣，做到車規(guī)認證才是進入汽車市場的敲門磚，否則主要應(yīng)用場景還是在無人機、機器人、醫(yī)療設(shè)備和AR/VR上。而激光器、探測器則需要通過AEC-Q102這一車規(guī)認證，目前SiPM探測器中已公開通過該認證的似乎也只有安森美去年發(fā)布的ARRAYRDM產(chǎn)品。

盡管轉(zhuǎn)向SPAD和SiPM已經(jīng)是dToF激光雷達探測器未來的大勢所趨，兩者在性能上都高于主流的APD方案，但在總成本上以及生產(chǎn)設(shè)計成熟度上，都還有進一步改善的空間。再考慮到本身激光雷達各大技術(shù)路線都存在分歧，短時間也很難確定誰是笑到最后的方案。