安森美半導體完整的LiDAR方案

 

1個LiDAR系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)等。成熟的模擬SiPM 產品有C系列、J系列、R系列。系統(tǒng)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系統(tǒng)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(fā)開關一樣，處于“開”或“關”狀態(tài)。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(fā)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(zhàn)，包括苛刻的環(huán)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(yè)、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(tài)設計實現緊湊的系統(tǒng)集成到汽車中，并極具成本優(yōu)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(tǒng)校準和降低制造成本。

 

2. 符合車規(guī)（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(yè)經驗，有非常完善的車規(guī)產品的質量監(jiān)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(tǒng)

 

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(tǒng)峰值功率400 W，系統(tǒng)尺寸22 cm x 18 cm x 13 cm。這系統(tǒng)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(tǒng)：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(yōu)勢。該系統(tǒng)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(qū)別于傳統(tǒng)的點云，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系統(tǒng)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(tǒng)、融合SiPM閃光LiDAR和圖像的FUSEONE系統(tǒng)以及Pandion SPAD陣列，具有強固、性價比高、符合車規(guī)等優(yōu)勢，并積極研發(fā)創(chuàng)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(tǒng)、經驗證模型的仿真數據等，解決設計挑戰(zhàn)和推動創(chuàng)新。

 

 

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