2019年11月18日 | 技术文章—基于SPAD / SiPM技术的激光雷达方案

激光雷达(LiDAR)是一种测距技术，近年来越来越多地用于汽车先进驾驶辅助系统(ADAS)、手势识别和3D映射等应用。尤其在汽车领域，随着传感器融合的趋势，LiDAR结合成像、超声波、毫米波雷达，互为补足，为汽车提供全方位感知，为迈向更安全的自动驾驶铺平道路。安森美半导体提供这全系列传感器方案且技术遥遥领先，在单光子雪崩二极管(SPAD)和硅光电倍增管(SiPM)传感器技术是市场领袖之一，提供完整的LiDAR方案，包括系统、传感器、输出和激光驱动器方案。

安森美半导体完整的LiDAR方案

1个LiDAR系统有6个主要的硬件功能块：传输、接收、光束转向、光学器件、输出和电源管理。典型的LiDAR系统框图如图1所示。其中，安森美半导体可提供SiPM/SPAD、激光驱动器参考设计、电源管理、放大与处理以及时序、直方图、点云生成乃至系统等。成熟的模拟SiPM 产品有C系列、J系列、R系列。系统有SiPM 阵列扫描LiDAR 演示仪（超过100 m扫描距离）、把SiPM 与图像传感器融合的FUSEONE、最新的400 x 100 SPAD 阵列Pandion。

图1：典型的LiDAR系统框图

什么是SPAD、SiPM和ToF

SPAD是一种工作在盖革模式(Geiger Mode)的光电二极管，就像光子触发开关一样，处于“开”或“关”状态。SiPM是由多个独立的SPAD传感器组成，每个传感器都有自己的淬灭电阻，从而克服单个SPAD不能同时测量多个光子的不足。飞行时间(ToF)指给目标发送光脉冲然后传感器接收从目标返回的光所需的时间。通过光速和ToF，可计算出目标距离，概念很简单，但却受到现实世界诸多挑战，包括苛刻的环境如光照条件、低反射率目标及长距等。目前共有两种ToF测量技术：单激光脉冲法和多激光脉冲法。单激光脉冲法指每次测量单个脉冲返回的时间，要求高的信噪比(SNR)。多激光脉冲法指每次测量多个脉冲返回的时间，通过直方图数据来获得距离，若提高SNR可实现更远距离的探测。ToF LiDAR可用于许多应用，如机器人、无人机、工业、移动、汽车ADAS和自动驾驶及增强实境(AR)/虚拟实境(VR)等。

SiPM和SPAD正成为新兴的LiDAR探测器

SiPM和SPAD可探测距离超过200 m、5%的低反射率目标，在明亮的阳光下也能工作，分辨率极佳，且尽可能小的光圈和固态设计实现紧凑的系统集成到汽车中，并极具成本优势，正成为新兴的LiDAR探测器。

汽车LiDAR传感器要求

1. 严格的一致性

由于SiPM/SPAD工作在盖革模式下，所以很难控制产品的一致性。安森美半导体是目前全球真正有能力大批量量产SiPM产品的供应商，其提供的数百万传感器的电压和增益非常一致，易于系统校准和降低制造成本。

2. 符合车规（IATF 16949、AEC Q102、-40至1050C工作温度、符合PPAP）

安森美半导体在汽车生产方面积累了多年的专业经验，有非常完善的车规产品的质量监督和控制体系，从一开始设计就考虑了汽车认证去设计传感器和封装。

3. 在905 nm处高的光子探测率(PDE)

安森美半导体的SiPM如今具有同类最佳的PDE，超过12%，2020年将达30%。

4. 高增益

SiPM的增益是雪崩光电二极管(APD)的1万倍，是PIN二极管的100万倍，串扰<20，提供出色的SNR。

SiPM 阵列扫描LiDAR 系统

该SiPM 阵列扫描LiDAR含16个905 nm 激光二极管、1个用于光束转向的机电旋转镜、安森美半导体的单片1 x 16 SiPM 阵列和处理电子器件，视场角(AoV) 80°x 5.53°，脉宽1 ns，系统峰值功率400 W，系统尺寸22 cm x 18 cm x 13 cm。这系统采用1D阵列同时采样多个垂直点，并结合水平单轴扫描，可获得视场的完整图像，实现长距低反射率目标的实时成像。

FUSEONE系统：融合图像和LiDAR

FUSEONE结合200万像素汽车级图像传感器和基于SiPM的闪光LiDAR，通过软件应用程序融合摄像机和LiDAR，获得目标距离、移动速率等数据，高灵敏度的SiPM 探测器和幻影智能算法实现增强的距离能力。由于无需机械式的雷达扫描，FUSEONE极具成本优势。该系统采用8个SiPM和2个905 nm激光二极管，脉宽20 ns，峰值功率80 W，接收器光路径采用43 nm带通滤波器，Xilinx FPGA 用于边缘处理全波形采集，AoV 为25° x 3.6°，在户外20 klux的光照条件下，行人检测达45 m，汽车检测达85 m。

Pandion SPAD阵列实现长距扫描LiDAR

400×100 SPAD 阵列具有CMOS 逻辑器件，阵列尺寸14 mm × 3 mm，像素间距38.6 um，采用卷帘快门读出（100通道并行读出），被动淬灭主动复位(PQAR)特性可获得<5 ns恢复时间，击穿电压达3.3 V以上。区别于传统的点云，Pandion SPAD LiDAR已形成了图像。

图2：Pandion探测不同距离不同反射率的目标

图3：Pandion采用光子计数获得的强度图像

图4：Pandion在微光水平下的强度图像

总结

SiPM和SPAD技术是实现LiDAR系统中接收器功能的关键，基于盖革模式雪崩原理，实现紧凑、高增益的传感器，安森美半导体是这些技术的市场领袖，提供完整的LiDAR方案，包括SiPM传感器、SiPM 阵列扫描LiDAR系统、融合SiPM闪光LiDAR和图像的FUSEONE系统以及Pandion SPAD阵列，具有强固、性价比高、符合车规等优势，并积极研发创新，同时为设计人员提供广泛的现场应用支援、相关的应用注释和视频库、产品演示系统、经验证模型的仿真数据等，解决设计挑战和推动创新。