硅光电倍增管传感器如何实现激光雷达的大规模应用

近年来，激光雷达被越来越多地应用于汽车、工业等应用领域，因其在探测距离以及角度和深度分辨率等方面都有着明显的优势，尤其是硅光电倍增管 (SiPM) 技术发展势头强劲，具备独特的功能集，已成为广阔市场深度传感应用的首选传感器。安森美半导体作为拥有此技术的市场领袖，提供高性能的硅基单光子探测器，为激光雷达解决更远的距离要求、超低目标反射率的探测、对环境光等噪声的抑制的技术挑战，同时大幅降低整体成本，有助于实现激光雷达的大规模应用。

为何需要深度信息？

因为真实场景是3D图像，而摄像头呈现的是2D图像，如果是简单的实现让人看场景的功能，其应用是足够的，但对机器视觉系统来说具有挑战性。深度数据消除了图像的模糊性，有助于区分场景中的实体并赋予其含义。激光雷达通过发射激光，计算反射回来的时间，可测算出被测物体的距离，在整个视场内通过多次重复测量，降低环境光的干扰获得点云数据并可建立强度图像，从而构建出一个立体空间的3D模型。由于激光雷达可以准确测距，从而降低视觉方案中的算法分析难度。

激光雷达功能模块

激光雷达系统由以下6个主要硬件功能块组成：发射、接收、波束控制、光学器件、读出电路、电源和系统。安森美半导体提供光电探测器，还提供激光系统中符合车规的驱动芯片、电源芯片、放大器和读出芯片等整体系统硬件解决方案。

图1：激光雷达功能模块

单光子雪崩光电二级管(SPAD)和SiPM技术的优势

市场上的光电探测器类型有PIN二级管、线性雪崩光电二极管(APD)、SPAD和SiPM。相比之下，SPAD和SiPM基于盖革模式，具有高灵敏度、高增益、供电电压低、一致性极好等优势。SiPM是由多个SPAD 微单元组成，具有很高的动态范围，可以用作光子计数器。SiPM能在明亮的阳光条件下进行长距离测距时提供最佳的信噪比性能。其他优势包括较低的电源偏置和较低的温度变化敏感性，采用大批量CMOS工艺生产，可实现最低的探测器成本。

图2：激光雷达的光电探测器类型

SiPM用于汽车激光雷达

在汽车领域，激光雷达与图像传感器、超声波雷达等感知模式互补和提供冗余，将不同传感器对某一目标或环境特征描述的信息互相比对，综合成统一的特征表达，提高感知的准确性和精度，从而提升先进驾驶辅助系统(ADAS)和自动驾驶的安全性。

汽车应用要求能进行远距离、广视角的深度感知，并要求深度感知能应对低反射率物体、环境光噪声等挑战。成本是个主要的驱动因素，影响到对技术的选择。深度感知技术、波长以及传感器技术是影响技术决策的关键因素。

目前，深度感知方式主要有直接飞行时间法 (dToF，测量时间差)、间接飞行时间法 (iToF，测量相位差) 和调频连续波法 (FMCW，测量拍频)。其中，iToF仅适用于短距离测距（<10米），只能检测到最强的回波。FMCW适用于短距离到长距离，但需要更多的计算能力，获得点云的时间更长，帧率更低，可以使用便宜的PIN二极管探测器，但由于使用具有良好偏振控制和高规格输出的可调谐激光器，因此总体成本较高。相比之下，dToF优势明显，适用于短距到长距 (0.1m – 300m)，可检测到多个回波，整个范围内精度高，兼容高功率、短脉冲，保持眼睛安全性。

波长选择方面，主要有近红外波段如850 nm、905 nm、940 nm和短波红外波段如1350nm, 1550nm。从可制造性和元器件成本来看，近红外波段都较短波红外波段更有优势，且近红外波段在雨中性能影响不大，而短波红外波段在雨中吸水会降低性能，更高的激光功率还可能导致散热问题。

安森美半导体重点提供硅基单光子探测器芯片激光雷达 (LiDAR)方案，主攻近红外处波段，即大力倡导基于SiPM探测器+ 近红外(NIR)波长 + dToF LiDAR方案。公司在固态LiDAR领域的多个设计导入获验证，批量付运给LiDAR设计导入的产品包括已量产的R系列SiPM、1x16/1x12 SiPM 阵列和工程样品3D ToF SPAD 阵列，并提供评估板、参考设计和套件以帮助设计人员快速将产品落地。

而且，安森美半导体从一开始就考虑汽车认证去设计光电探测器及其封装，并采用CMOS工艺，推出全球首款符合车规AEC-Q102的SiPM光电探测器ArrayRDM-0112A20-QFN，为激光雷达量产化铺平道路。ArrayRDM-0112A20-QFN是单片1×12 SiPM像素阵列，基于安森美半导体领先市场的RDM工艺，可实现对近红外光的高灵敏度，从而在905纳米(nm)处达到领先业界的18.5％的光子探测效率 (PDE) 。 SiPM的高内部增益使其灵敏度可达到单光子水平，该功能与高PDE结合使用，可以检测最微弱的返回信号。因此，即使是低反射目标，也能探测到更远的距离(达300米以上)。更远的距离使车辆有更多时间来应对意外障碍，从而提升道路安全性。

图3：用于激光雷达的车规级 SiPM阵列ArrayRDM-0112A20-QFN

SiPM用于工业激光雷达

激光雷达在工业领域的应用也非常广泛，如料位监控、存储检索、堆高控制、材料厚度测量、占用检测、物体检测和分类、空仓检测、人数计算/检测、安保等。安森美半导体推出的SiPM dToF LiDAR 参考平台 SECO-RANGEFINDER-GEVK是具成本优势的单点dToF激光雷达系统，适用于室内导航、测距、碰撞检测和3D制图，测距范围0.11 m 到 23 m，可作为评估套件或完整的参考设计，开箱即用，具有易于使用的图形用户界面(GUI)，可调节系统变量，时间-数字转换器(TDC)具有自动校准功能，软件可调设置适用于各种工业和物联网(IoT)应用，符合激光安全标准IEC / EN 60825-1:2014 、21 CFR 1040.10 和1040.11 (Laser Notice No. 56除外)，获美国食品和药物管理局(FDA)认证。

图4：SiPM dToF LiDAR 参考平台: SECO-RANGEFINDER-GEVK

此外，安森美半导体的矩阵型激光雷达评估套件Pandion EVK3 - PAN-400100-A-AI-GEVK3，固态光源Flash可以感知三米内的深度，扫描式的波速控制 (Beam Steering)可感知到100米左右的深度。它可用于评估，由Demo 3和DevWare处理的点云用于可视化，也可作为完整的输出方案，构建到定制的LiDAR传感器中，由客户ECU或处理器处理点云数据，还可作为参考设计，安森美半导体可提供PCB 电路图、布板、物料单(BOM)和 FPGA 代码。

总结

LiDAR提供的高分辨率深度数据可在充满挑战的微光条件下即时准确地识别物体，正越来越广泛地应用于汽车感知、工业测距等应用领域。SiPM和SPAD是实现激光雷达系统的核心器件，安森美半导体是拥有此技术的市场领袖，提供业界最高灵敏度、最佳一致性和低噪声的产品，致力于实现符合车规、高增益、低成本、尺寸紧凑的光电探测器，解决行业挑战，并提供参考设计和评估套件，帮助设计人员简化开发，以加快实现激光雷达的大规模应用。