安森美半導體完整的LiDAR方案

 

1個LiDAR係統有6個主要的硬件功能塊：傳輸、接收、光束轉向
、光學器件
、輸出和電源管理。典型的LiDAR係統框圖如圖1所示。其中，安森美半導體可提供SiPM/SPAD、激光驅動器參考設計
、電源管理、放大與處理以及時序
、直方圖
、點雲生成乃至係統等。成熟的模擬SiPM 產品有C係列、J係列、R係列。係統有SiPM 陣列掃描LiDAR 演示儀（超過100 m掃描距離）
、把SiPM 與圖像傳感器融合的FUSEONE
、最新的400 x 100 SPAD 陣列Pandion。

 

圖1：典型的LiDAR係統框圖

 

什麼是SPAD、SiPM和ToF

 

SPAD是一種工作在蓋革模式(Geiger Mode)的光電二極管，就像光子觸發開關一樣，處於“開”或“關”狀態。SiPM是由多個獨立的SPAD傳感器組成，每個傳感器都有自己的淬滅電阻
，從而克服單個SPAD不能同時測量多個光子的不足。飛行時間(ToF)指給目標發送光脈衝然後傳感器接收從目標返回的光所需的時間。通過光速和ToF，可計算出目標距離，概念很簡單，但卻受到現實世界諸多挑戰，包括苛刻的環境如光照條件、低反射率目標及長距等。目前共有兩種ToF測量技術：單激光脈衝法和多激光脈衝法。單激光脈衝法指每次測量單個脈衝返回的時間，要求高的信噪比(SNR)。多激光脈衝法指每次測量多個脈衝返回的時間，通過直方圖數據來獲得距離
，若提高SNR可實現更遠距離的探測。ToF LiDAR可用於許多應用
，如機器人、無人機、工業、移動、汽車ADAS和自動駕駛及增強實境(AR)/虛擬實境(VR)等。

 

SiPM和SPAD正成為新興的LiDAR探測器

 

SiPM和SPAD可探測距離超過200 m、5%的(de)低(di)反(fan)射(she)率(lv)目(mu)標(biao)
，在(zai)明(ming)亮(liang)的(de)陽(yang)光(guang)下(xia)也(ye)能(neng)工(gong)作(zuo)，分(fen)辨(bian)率(lv)極(ji)佳(jia)，且(qie)盡(jin)可(ke)能(neng)小(xiao)的(de)光(guang)圈(quan)和(he)固(gu)態(tai)設(she)計(ji)實(shi)現(xian)緊(jin)湊(cou)的(de)係(xi)統(tong)集(ji)成(cheng)到(dao)汽(qi)車(che)中(zhong)，並(bing)極(ji)具(ju)成(cheng)本(ben)優(you)勢(shi)，正(zheng)成(cheng)為(wei)新(xin)興(xing)的(de)LiDAR探測器。

 

汽車LiDAR傳感器要求

 

1. 嚴格的一致性

 

由於SiPM/SPAD工作在蓋革模式下
，所以很難控製產品的一致性。安森美半導體是目前全球真正有能力大批量量產SiPM產品的供應商，其提供的數百萬傳感器的電壓和增益非常一致，易於係統校準和降低製造成本。

 

2. 符合車規（IATF 16949
、AEC Q102
、-40至1050C工作溫度、符合PPAP）

 

安(an)森(sen)美(mei)半(ban)導(dao)體(ti)在(zai)汽(qi)車(che)生(sheng)產(chan)方(fang)麵(mian)積(ji)累(lei)了(le)多(duo)年(nian)的(de)專(zhuan)業(ye)經(jing)驗(yan)
，有(you)非(fei)常(chang)完(wan)善(shan)的(de)車(che)規(gui)產(chan)品(pin)的(de)質(zhi)量(liang)監(jian)督(du)和(he)控(kong)製(zhi)體(ti)係(xi)
，從(cong)一(yi)開(kai)始(shi)設(she)計(ji)就(jiu)考(kao)慮(lv)了(le)汽(qi)車(che)認(ren)證(zheng)去(qu)設(she)計(ji)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)封(feng)裝(zhuang)。

 

3. 在905 nm處高的光子探測率(PDE)

 

安森美半導體的SiPM如今具有同類最佳的PDE，超過12%，2020年將達30%。

 

4. 高增益

 

SiPM的增益是雪崩光電二極管(APD)的1萬倍，是PIN二極管的100萬倍，串擾<20
，提供出色的SNR。

 

SiPM 陣列掃描LiDAR 係統

 

該SiPM 陣列掃描LiDAR含16個905 nm 激光二極管
、1個用於光束轉向的機電旋轉鏡、安森美半導體的單片1 x 16 SiPM 陣列和處理電子器件，視場角(AoV) 80°x 5.53°，脈寬1 ns，係統峰值功率400 W，係統尺寸22 cm x 18 cm x 13 cm。這係統采用1D陣列同時采樣多個垂直點，並結合水平單軸掃描，可獲得視場的完整圖像
，實現長距低反射率目標的實時成像。

 

FUSEONE係統：融合圖像和LiDAR

 

FUSEONE結合200萬像素汽車級圖像傳感器和基於SiPM的閃光LiDAR，通過軟件應用程序融合攝像機和LiDAR，獲得目標距離、移動速率等數據，高靈敏度的SiPM 探測器和幻影智能算法實現增強的距離能力。由於無需機械式的雷達掃描，FUSEONE極具成本優勢。該係統采用8個SiPM和2個905 nm激光二極管


，脈寬20 ns，峰值功率80 W，接收器光路徑采用43 nm帶通濾波器，Xilinx FPGA 用於邊緣處理全波形采集，AoV 為25° x 3.6°，在戶外20 klux的光照條件下
，行人檢測達45 m，汽車檢測達85 m。

 

Pandion SPAD陣列實現長距掃描LiDAR

 

400×100 SPAD 陣列具有CMOS 邏輯器件，陣列尺寸14 mm × 3 mm，像素間距38.6 um，采用卷簾快門讀出（100通道並行讀出）
，被動淬滅主動複位(PQAR)特性可獲得<5 ns恢複時間
，擊穿電壓達3.3 V以上。區別於傳統的點雲
，Pandion SPAD LiDAR已形成了圖像。

 

圖2：Pandion探測不同距離不同反射率的目標

 

圖3：Pandion采用光子計數獲得的強度圖像

 

圖4：Pandion在微光水平下的強度圖像

 

總結

 

SiPM和SPAD技術是實現LiDAR係統中接收器功能的關鍵，基於蓋革模式雪崩原理，實現緊湊、高增益的傳感器
，安森美半導體是這些技術的市場領袖
，提供完整的LiDAR方案
，包括SiPM傳感器、SiPM 陣列掃描LiDAR係統、融合SiPM閃光LiDAR和圖像的FUSEONE係統以及Pandion SPAD陣列
，具有強固、性價比高
、符合車規等優勢
，並積極研發創新，同時為設計人員提供廣泛的現場應用支援、相關的應用注釋和視頻庫
、產品演示係統
、經驗證模型的仿真數據等
，解決設計挑戰和推動創新。

 

 

推薦閱讀：