基于 SPAD / SiPM 技术的激光雷达方案

2019-11-18 14:45

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。

关于安森美半导体

安森美半导体(ON Semiconductor,美国纳斯达克上市代号:ON)致力于推动高能效电子的创新,使客户能够减少全球的能源使用。安森美半导体领先于供应基于半导体的方案,提供全面的高能效电源管理、模拟、传感器、逻辑、时序、互通互联、分立、系统单芯片(SoC)及定制器件阵容。公司的产品帮助工程师解决他们在汽车、通信、计算机、消费电子、工业、医疗、航空及国防应用的独特设计挑战。公司运营敏锐、可靠、世界一流的供应链及品质项目,一套强有力的守法和道德规范计划,及在北美、欧洲和亚太地区之关键市场运营包括制造厂、销售办事处及设计中心在内的业务网络。更多信息请访问http://www.onsemi.cn
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