硅光電倍增管用于直接飛行時間測距應(yīng)用（一）：直接ToF測距系統(tǒng)的設(shè)計

本白皮書旨在協(xié)助開發(fā)基于硅光電倍增管(SiPM)的激光雷達(dá)(LiDAR，光探測和測距)系統(tǒng)。下面的章節(jié)包含了以下信息：直接飛行時間(ToF)測距儀的激光器、計時和光學(xué)參數(shù)的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)，以及詳細(xì)分析將SiPM整合到此類系統(tǒng)中時必須考慮的關(guān)鍵方面。

前言

LiDAR是一種測距技術(shù)，正越來越多地用于移動測距、汽車ADAS(先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng))、手勢識別和3D繪圖等應(yīng)用。與雪崩光電二極管(APD)、PIN二極管和PMT等替代性傳感器技術(shù)相比，采用硅光電倍增管(SiPM)作為光敏傳感器有許多優(yōu)勢，特別是對于移動和大批量產(chǎn)品而言。

安森美(onsemi)的SiPM提供：

從250納米到1100納米的單光子探測

低電壓——易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求

低功耗——較低的工作電壓和簡單的讀出電子裝置實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計

高帶寬和快速響應(yīng)時間——最小化測距時間

能夠利用低激光功耗直接ToF測距技術(shù)的優(yōu)勢

低噪聲和高增益——可實(shí)現(xiàn)好的信噪比(SNR)

標(biāo)準(zhǔn)CMOS制造工藝——成本低，高度一致性，可擴(kuò)展生產(chǎn)

小尺寸SMT封裝——可提供1毫米的傳感器

與其他傳感器相比，遷移到SiPM傳感器技術(shù)會帶來一系列不同的限制。本白皮書旨在幫助用戶充分利用該技術(shù)的優(yōu)勢，并盡快實(shí)現(xiàn)采用SiPM傳感器的工作設(shè)置。

為此，安森美創(chuàng)建了三個工具來幫助用戶；一個用于仿真的MATLAB測距模型，一個測距演示器硬件裝置，以及本文文件。

我們創(chuàng)建了一個直接ToF系統(tǒng)的詳細(xì)MATLAB模型，以便于仿真基于SiPM的測距應(yīng)用。該模型可用于支持測距系統(tǒng)的設(shè)計，并可進(jìn)行修改以仿真各種應(yīng)用和實(shí)施。

一個基于SiPM的LiDAR演示系統(tǒng)已建成。對這個“第一代”系統(tǒng)進(jìn)行了測量，并用于驗(yàn)證MATLAB模型的仿真結(jié)果。

本文文件旨在幫助新用戶開發(fā)基于SiPM的直接ToF測距系統(tǒng)。它討論了各種系統(tǒng)和環(huán)境因素對所產(chǎn)生的信噪比的影響。

直接ToF測距系統(tǒng)的設(shè)計

一個直接的ToF測距系統(tǒng)所需的基本組件，如圖1所示

• 一個帶有準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的脈波激光器
• 一個帶有檢測光學(xué)組件的傳感器
• 計時和數(shù)據(jù)處理電子裝置

圖1. 直接ToF測距技術(shù)概覽

本文檔聚焦激光器、傳感器、讀出器和應(yīng)用環(huán)境的系統(tǒng)設(shè)計。本白皮書中的單點(diǎn)、直接ToF基線工作可以擴(kuò)展到更復(fù)雜的掃描和成像系統(tǒng)。在直接ToF技術(shù)中，一個周期性的激光脈波被指向目標(biāo)，通常采用對眼睛安全的紅外區(qū)功率和波長。

目標(biāo)擴(kuò)散并反射激光光子，一些光子被反射回傳感器。傳感器將檢測到的激光光子(和一些由于噪聲而檢測到的光子)轉(zhuǎn)換為電訊號，然后由計時電子裝置進(jìn)行時間標(biāo)記。這個飛行時間t，可用來計算到目標(biāo)的距離D，計算公式D=ct/2，其中c=光速，t=飛行時間。傳感器必須將返回的激光光子從噪聲(環(huán)境光)中區(qū)分出來。每個激光脈波至少捕獲一個時間標(biāo)記。這稱為單次測量。

結(jié)合許多單次測量的數(shù)據(jù)以產(chǎn)生一個測量值，信噪比可以得到極大的改善，從中可提取出檢測到的激光脈波計時，具有高精度。有幾種不同的讀出技術(shù)可從檢測到的激光光子脈波中獲取計時信息，總結(jié)如下：

測距讀出技術(shù)

LED(前緣識別)——涉及對多光子訊號的上升沿的檢測。計時的準(zhǔn)確性是由辨別返回的光訊號的上升沿的能力決定的。這種技術(shù)不受激光脈波寬度的影響。

全波形數(shù)字化——全波形被數(shù)字化，可以過采樣以提高精度。對于短激光脈波或高重復(fù)率源來說，可能難以實(shí)現(xiàn)。

TCSPC(時間相關(guān)的單光子計數(shù))——提供最高的精度和最大的環(huán)境光抑制。這種技術(shù)要求每個激光脈波檢測不到一個訊號光子。這種技術(shù)可以不受環(huán)境光的影響，但需要短脈波時間、高重復(fù)率和快速計時電子裝置，以實(shí)現(xiàn)快速和準(zhǔn)確的測量。

SPSD(單光子同步檢測)——TCSPC的一種形式，提供高環(huán)境光抑制。必須設(shè)計電子裝置來處理范圍模糊的問題。

建模一個直接ToF測距系統(tǒng)

我們創(chuàng)建了一個直接ToF系統(tǒng)的MATLAB模型。該模型的框圖如圖2所示。該模型給定一組與表1中所示相似的系統(tǒng)參數(shù)，目的是預(yù)測系統(tǒng)的整體性能。第一步包括分析計算傳感器的光照度(包括環(huán)境光和激光)，給定一個選定的光學(xué)場景，可以通過改變相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)來改變。通過比較計算出的光照度與傳感器的飽和極限，可以驗(yàn)證所選擇的設(shè)置是否適合測距。在特定設(shè)置不適合測距的情況下，可以通過改變系統(tǒng)參數(shù)來評估設(shè)置本身的改進(jìn)。

該模型的第二部分包括一個Monte Carlo 仿真器，其中傳感器的隨機(jī)特性，主要是光子探測效率(PDE)和時間抖動，被再現(xiàn)。這一步允許通過仿真獲得傳感器的現(xiàn)實(shí)輸出。與分析部分相比，這一步考慮到了計時信息，如采集時間、激光的重復(fù)率和激光脈波寬度。Monte Carlo 仿真的結(jié)果被傳遞給一個讀出模型，通常是一個鑒別器，然后是一個TDC(時間到數(shù)字轉(zhuǎn)換器)，它產(chǎn)生一個時間戳的柱狀圖，從中可以提取一個范圍測量。

圖2. 光照度的計算結(jié)合Monte Carlo仿真器，從而可以再現(xiàn)完整的系統(tǒng)輸出。

表1. SiPM直接ToF測距系統(tǒng)中的變量

測距直方圖

每次發(fā)出激光脈波時，采集系統(tǒng)都會進(jìn)行一次單次測量。取決于許多因素，包括激光功率和與目標(biāo)的距離，每個脈波檢測到的激光光子數(shù)量可能很低。理想情況下，每個檢測到的光子都會用時間標(biāo)記。但每個單次測量的時間標(biāo)記數(shù)量可能受到TDC死區(qū)時間的限制。通常情況下，許多單次測量的時間，各包含一個或多個時間標(biāo)記，結(jié)合起來可產(chǎn)生一幀。在一幀過程中獲得的完整計時數(shù)據(jù)可以以直方圖的形式繪制出來，如圖3所示。

系統(tǒng)測距性能受到直方圖數(shù)據(jù)質(zhì)量的限制，而直方圖又受到系統(tǒng)參數(shù)的影響。從第7頁“改變系統(tǒng)變量的影響”一節(jié)中詳述的系統(tǒng)參數(shù)分析中可以看出，有一些限制因素和一些可以作出的取舍。下面使用的測距直方圖也提供了一個直觀的表示，這對于描述各種參數(shù)對所采集數(shù)據(jù)的影響是很有用的。基本直方圖訊號和計時參數(shù)說明如下。

直方圖的信噪比，SNRH，是訊號峰值與最大噪聲峰值之比。SNRH = 訊號峰值/噪聲峰值。

在模型中，以下術(shù)語適用于測量時間：f = 激光頻率。

激光重復(fù)率限制了可以測量的最大ToF，無失真，這定義了每次單次測量的時間。

單次測量時間，tss = 1/f。

幀大小是指每張直方圖的單次測量數(shù)。較大的幀大小可以提高SNRH，產(chǎn)生更好質(zhì)量的直方圖。測距速度由幀率定義：幀率=每秒測距次數(shù) = 1/ tacq

圖3. 顯示訊號、噪聲和飛行時間的仿真直方圖實(shí)例