【導讀】LiDAR（激光雷達）是一種測距技術，越來越多地用於移動測距、汽車ADAS（高級駕駛員輔助係統）
、手勢識別和3D映射等應用，市場發展潛力極為驚人。本文將為您介紹LiDAR的發展趨勢，以及由安森美（onsemi）所推出的矽光電倍增管（SiPM）直接飛行時間（dToF）LiDAR平台開發套件。

LiDAR采用ToF技術來測量距離

LiDAR早先稱為光雷達


，因為那時使用的光源均非激光，但自激光器出現以來，激光作為高亮度、低發散的相幹光特別適合作光雷達的光源，所以光雷達均使用激光器作光源，名稱也就統稱為激光雷達了。

LiDAR是一種集激光，全球定位係統（GPS）和慣性導航係統（INS）三(san)種(zhong)技(ji)術(shu)於(yu)一(yi)身(shen)的(de)係(xi)統(tong)，用(yong)於(yu)獲(huo)得(de)點(dian)雲(yun)數(shu)據(ju)並(bing)生(sheng)成(cheng)精(jing)確(que)的(de)數(shu)字(zi)化(hua)三(san)維(wei)模(mo)型(xing)。這(zhe)三(san)種(zhong)技(ji)術(shu)的(de)結(jie)合(he)，可(ke)以(yi)在(zai)一(yi)致(zhi)絕(jue)對(dui)測(ce)量(liang)點(dian)位(wei)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)獲(huo)取(qu)周(zhou)圍(wei)的(de)三(san)維(wei)實(shi)景(jing)。

LiDAR係統主要由激光器、相控陣、微機電係統、掃描儀和光學組件
、光電探測器和接收器電子器件
、定位和導航係統、傳感器等幾個主要組件構成。依照不同的設計理念
，可以分類成基於方向、基於掃描機製
、基於平台等不同類型。

LiDAR采用飛行時間（Time of flight, ToF）技術來測量距離，量測物質、粒子或是波（聲波或電磁波）在介質中行進需要的時間，其可以用直接的方式偵測行進物體，稱為直接飛行時間（dToF），也可以用間接的散射光進行量測
，稱為間接飛行時間（iToF），通過計算發射信號與其回波之間的時間延遲來計算距離。iToF適用於更短距離的深度傳感應用


，並在室內環境和傳感器沒有受到陽光直射的環境中使用，dToF則適用於短程和長程的深度傳感應用。 

SiPM傳感器具有LiDAR所需的性能

SiPM是一種傳感器，是基於在普通矽襯底上實現的單光子雪崩二極管（SPAD）的固態單光子敏感器件，可應對低至單光子水平的低光信號的感測
、計時和量化挑戰。傳統上屬於光電倍增管（PMT）領域的SiPM現在提供了一種極具吸引力的替代方案，它結合了PMT的低光檢測能力，同時提供固態傳感器的所有優勢。SiPM具有低電壓操作、對磁場不敏感、機械堅固性和出色的響應均勻性等特點。由於這些特性，SiPM在醫學成像
、危險和威脅檢測

、生物光子學、高能物理和LiDAR領域迅速獲得了經過驗證的性能。

使用SiPM作為光電傳感器與APD、PIN二極管和PMT等替代傳感器技術相比具有許多優勢，特別是對於移動和大批量產品。SiPM是一種單光敏、高性能

、固態傳感器，它由帶有集成焠火電阻器的緊密排列的SPAD傳感器組成，從而形成具有高增益（~1x106）
、高檢測效率（> 50%）和快速定時（次納秒的上升時間）的產品特性。

與傳統的PMT相比，光電子增益通常更具確定性
，從而導致極低至可忽略的超額噪聲係數。因此，固定數量的檢測到的光子的SNR（信噪比）可以高於PMT。相反，PMT的隨機增益通常需要更多檢測到的光子才能獲得相同的SNR。如果大量的SPAD排列在一起，動態範圍可以比PMT大幾個數量級
，從而在不飽和的情況下
，實現更快的成像速率或更高的SNR。此外，矽電子器件的大規模生產，使得SiPM的製造成本相對於真空管而言將更為低廉。 

高增益和高帶寬的SiPM傳感器

在物聯網（IoT）中
，越來越多的測距和傳感應用希望從低功耗、高性能SiPM技術中獲益。特別是使用對人眼安全的近紅外（NIR）波長的LiDAR應用，例如汽車ADAS
、3D深度圖
、移動
、消費和工業測距。

為了利用SiPM傳感器的高增益和高帶寬
，可以使用dToF以最低的功率預算提供精確的測距。安森美SiPMdegaolingminduyunxushiyongdigonglvjiguangqilaitigaoyanjinganquanxing。ansenmeiyijingchuangjianleyigeruanjianmoxing，yunxuzaigezhongshurutiaojianxiazhunquequedingxitongxingneng，yijiyigebaohanSiPM傳感器的硬件測距平台。利用SiPM傳感器的高增益和高帶寬，dToF可用於提供高達23米的精確測距，而不會影響電池壽命。

安森美推出的SiPM傳感器可以提供從250 nm到1100 nm的de單dan光guang子zi檢jian測ce

，支zhi持chi低di電dian壓ya可ke易yi於yu實shi現xian係xi統tong要yao求qiu，擁yong有you低di功gong耗hao特te性xing，能neng以yi較jiao低di的de工gong作zuo電dian壓ya和he簡jian單dan的de讀du出chu電dian路lu允yun許xu低di功gong耗hao設she計ji，具ju有you高gao帶dai寬kuan和he快kuai速su響xiang應ying時shi間jian，可ke最zui小xiao化hua範fan圍wei測ce量liang時shi間jian，並bing能neng夠gou利li用yong低di激ji光guang功gong率lvdToF測距技術的優勢，擁有低噪聲和高增益特性，可實現良好的SNR
，采用標準CMOS製造工藝
，具備低成本、高度一致和可擴展的生產
，並采用小尺寸SMT封裝，可提供僅1 mm的傳感器。 

SiPM dToF LiDAR平台開發套件

由安森美推出的SiPM dToF LiDAR平ping台tai開kai發fa套tao件jian
，展zhan示shi了le一yi個ge完wan整zheng的de測ce距ju應ying用yong
，並bing幫bang助zhu開kai發fa人ren員yuan熟shu悉xi底di層ceng技ji術shu和he所suo有you必bi要yao的de構gou建jian模mo塊kuai。此ci外wai，該gai套tao件jian有you助zhu於yu評ping估gu係xi統tong的de核he心xin組zu件jian
，例li如ruSiPM傳感器。通過硬件上提供的測試點和GUI上的各種功能和可配置參數
，開發人員將找到一種快速且用戶友好的方式來評估套件，並加快應用開發的速度。

這個高度集成的SECO-RANGEFINDER-GEVK開發工具套件
，是一套采用SiPM dToF的LiDAR平台，該開發板提供即插即用功能
，它由SiPM組成
，它是一種單光敏
、高性能
、固態傳感器，是一個單點測距儀應用的完整開發套件
，適用於需要成本優化的工業和商業應用。

這個開發工具套件是基於安森美最新的NIR SiPM（RB係列），並集成了所有必要的係統組件，包含了所有基本子係統，用於涉及激光和參考電路（Tx）、接收電路（Rx）
、電源管理係統、以及核心FPGA和UART通信的應用。這個套件包括一個多功能GUI，可以對測距性能進行全麵評估

，並可以調整係統變量
，例如SiPM-RB光電倍增管的脈衝數或偏置電壓。

SECO-RANGEFINDER-GEVK開發工具套件可用於單點應用的dToF操作，具有大於0.11米至23米的可探測範圍

，運行方便快捷
，具有專用的用戶友好的GUI
，可進行開箱即用操作，係統變量可調節

，並可優化係統成本，內置時間-數字轉換器（TDC），基於FPGA（ice3），約為85ps倉寬度
，可執行自動TDC校準（FPGA參考時鍾）
，支持不同電源選項，包括USB（5V）與PMOD連接器（3.3V），並具有優化的係統成本。

該套件采用的激光和光學器件包括RB係列SiPM傳感器
、905nm激光二極管發射器
、650-1050 nm鍍膜的BK7平凸透鏡，可最大化測量距離，並具有905±5nm帶通光學濾波器（FWHM為30±5 nm）用於接收電路
，可在所選頻譜中達到最高靈敏度，並符合BS EN 60825−1:2014在正常操作條件和單一故障條件下對1類激光產品的功率要求
，且通過符合激光安全標準IEC/EN 60825-1:2014和21 CFR 1040.10和1040.11（第56號激光通告的偏差除外）與FDA標準認證。

此開發平台還帶有藍牙®開發套件（BDK−GEVK）和其他各種傳感器和執行器的可擴展係統，並提供多種軟件，包括適用於各種工業和物聯網應用的軟件可調設置
、基於FPGA的TDC，支持讀出、通信接口，以及兩個穩壓偏置電源的控製。該開發平台可應用於室內導航和測距（探測距離可達23m）
、碰撞檢測
、3D映射等應用。

結語

隨著LiDAR相關技術的逐漸成熟，其成本也逐漸降低到市場可接受的程度
，結合自動駕駛技術的發展，有更多的汽車也開始大量采用LiDAR係統來偵測距離
、避免碰撞、創建3D映射
，另外在消費性產品市場中，掃地機器人
、無人機等產品，也是LiDAR的重要應用領域，未來的市場潛力極為可觀
，值得有興趣的廠家加快腳步投入相關產品開發，搶占市場商機。

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