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基于SPAD / SiPM技術的激光雷達方案

發布時間:2019-11-19 責任編輯:wenwei

【導讀】激光雷達(LiDAR)是一種測距技術,近年來越來越多地用于汽車先進駕駛輔助系統(ADAS)、手勢識別和3D映射等應用。尤其在汽車領域,隨著傳感器融合的趨勢,LiDAR結合成像、超聲波、毫米波雷達,互為補足,為汽車提供全方位感知,為邁向更安全的自動駕駛鋪平道路。安森美半導體提供這全系列傳感器方案且技術遙遙領先,在單光子雪崩二極管(SPAD)和硅光電倍增管(SiPM)傳感器技術是市場領袖之一,提供完整的LiDAR方案,包括系統、傳感器、輸出和激光驅動器方案。
 
安森美半導體完整的LiDAR方案
 
1個LiDAR系統有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系統框圖如圖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、點云生成乃至系統等。成熟的模擬SiPM 產品有C系列、J系列、R系列。系統有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。
 
基于SPAD / SiPM技術的激光雷達方案
圖1:典型的LiDAR系統框圖
 
什么是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,處于“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)指給目標發送光脈沖然后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:單激光脈沖法和多激光脈沖法。單激光脈沖法指每次測量單個脈沖返回的時間,要求高的信噪比(SNR)。多激光脈沖法指每次測量多個脈沖返回的時間,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可用于許多應用,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%的低反射率目標,在明亮的陽光下也能工作,分辨率極佳,且盡可能小的光圈和固態設計實現緊湊的系統集成到汽車中,并極具成本優勢,正成為新興的LiDAR探測器。
 
汽車LiDAR傳感器要求
 
1. 嚴格的一致性
 
由于SiPM/SPAD工作在蓋革模式下,所以很難控制產品的一致性。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,易于系統校準和降低制造成本。
 
2. 符合車規(IATF 16949、AEC Q102、-40至1050C工作溫度、符合PPAP)
 
安森美半導體在汽車生產方面積累了多年的專業經驗,有非常完善的車規產品的質量監督和控制體系,從一開始設計就考慮了汽車認證去設計傳感器和封裝。
 
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 系統
 
該SiPM 陣列掃描LiDAR含16個905 nm 激光二極管、1個用于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,系統峰值功率400 W,系統尺寸22 cm x 18 cm x 13 cm。這系統采用1D陣列同時采樣多個垂直點,并結合水平單軸掃描,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系統:融合圖像和LiDAR
 
FUSEONE結合200萬像素汽車級圖像傳感器和基于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。由于無需機械式的雷達掃描,FUSEONE極具成本優勢。該系統采用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 用于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通道并行讀出),被動淬滅主動復位(PQAR)特性可獲得<5 ns恢復時間,擊穿電壓達3.3 V以上。區別于傳統的點云,Pandion SPAD LiDAR已形成了圖像。
 
基于SPAD / SiPM技術的激光雷達方案
圖2:Pandion探測不同距離不同反射率的目標
 
基于SPAD / SiPM技術的激光雷達方案
圖3:Pandion采用光子計數獲得的強度圖像
 
基于SPAD / SiPM技術的激光雷達方案
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系統中接收器功能的關鍵,基于蓋革模式雪崩原理,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系統、融合SiPM閃光LiDAR和圖像的FUSEONE系統以及Pandion SPAD陣列,具有強固、性價比高、符合車規等優勢,并積極研發創新,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、產品演示系統、經驗證模型的仿真數據等,解決設計挑戰和推動創新。
 
 
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