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硅光電倍增管傳感器如何實現激光雷達的大規模應用

作者:時間:2021-06-30來源:電子產品世界收藏

近年來,激光雷達被越來越多地應用于汽車、工業等應用領域,因其在探測距離以及角度和深度分辨率等方面都有著明顯的優勢,尤其是硅光電倍增管 (SiPM) 技術發展勢頭強勁,具備獨特的功能集,已成為廣闊市場深度傳感應用的首選傳感器。安森美半導體作為擁有此技術的市場領袖,提供高性能的硅基單光子探測器,為激光雷達解決更遠的距離要求、超低目標反射率的探測、對環境光等噪聲的抑制的技術挑戰,同時大幅降低整體成本,有助于實現激光雷達的大規模應用。

本文引用地址:http://www.pfaennle.com/article/202106/426663.htm

為何需要深度信息?

因為真實場景是3D圖像,而攝像頭呈現的是2D圖像,如果是簡單的實現讓人看場景的功能,其應用是足夠的,但對機器視覺系統來說具有挑戰性。深度數據消除了圖像的模糊性,有助于區分場景中的實體并賦予其含義。激光雷達通過發射激光,計算反射回來的時間,可測算出被測物體的距離,在整個視場內通過多次重復測量,降低環境光的干擾獲得點云數據并可建立強度圖像,從而構建出一個立體空間的3D模型。由于激光雷達可以準確測距,從而降低視覺方案中的算法分析難度。

激光雷達功能模塊

激光雷達系統由以下6個主要硬件功能塊組成:發射、接收、波束控制、光學器件、讀出電路、電源和系統。安森美半導體提供光電探測器,還提供激光系統中符合車規的驅動芯片、電源芯片、放大器和讀出芯片等整體系統硬件解決方案。

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圖1 激光雷達功能模塊

單光子雪崩光電二級管(SPAD)和SiPM技術的優勢

市場上的光電探測器類型有PIN二級管、線性雪崩光電二極管(APD)、SPAD和SiPM。相比之下,SPAD和SiPM基于蓋革模式,具有高靈敏度、高增益、供電電壓低、一致性極好等優勢。SiPM是由多個SPAD 微單元組成,具有很高的動態范圍,可以用作光子計數器。SiPM能在明亮的陽光條件下進行長距離測距時提供最佳的信噪比性能。其他優勢包括較低的電源偏置和較低的溫度變化敏感性,采用大批量CMOS工藝生產,可實現最低的探測器成本。

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圖2 激光雷達的光電探測器類型

SiPM用于汽車激光雷達

在汽車領域,激光雷達與圖像傳感器、超聲波雷達等感知模式互補和提供冗余,將不同傳感器對某一目標或環境特征描述的信息互相比對,綜合成統一的特征表達,提高感知的準確性和精度,從而提升先進駕駛輔助系統(ADAS)和自動駕駛的安全性。

汽車應用要求能進行遠距離、廣視角的深度感知,并要求深度感知能應對低反射率物體、環境光噪聲等挑戰。成本是個主要的驅動因素,影響到對技術的選擇。深度感知技術、波長以及傳感器技術是影響技術決策的關鍵因素。

目前,深度感知方式主要有直接飛行時間法 (dToF,測量時間差)、間接飛行時間法 (iToF,測量相位差) 和調頻連續波法 (FMCW,測量拍頻)。其中,iToF僅適用于短距離測距(<10米),只能檢測到最強的回波。FMCW適用于短距離到長距離,但需要更多的計算能力,獲得點云的時間更長,幀率更低,可以使用便宜的PIN二極管探測器,但由于使用具有良好偏振控制和高規格輸出的可調諧激光器,因此總體成本較高。相比之下,dToF優勢明顯,適用于短距到長距 (0.1m – 300m),可檢測到多個回波,整個范圍內精度高,兼容高功率、短脈沖,保持眼睛安全性。

波長選擇方面,主要有近紅外波段如850 nm、905 nm、940 nm和短波紅外波段如1350nm, 1550nm。從可制造性和元器件成本來看,近紅外波段都較短波紅外波段更有優勢,且近紅外波段在雨中性能影響不大,而短波紅外波段在雨中吸水會降低性能,更高的激光功率還可能導致散熱問題。

安森美半導體重點提供硅基單光子探測器芯片激光雷達 (LiDAR)方案,主攻近紅外處波段,即大力倡導基于SiPM探測器+ 近紅外(NIR)波長 + dToF LiDAR方案。公司在固態LiDAR領域的多個設計導入獲驗證,批量付運給LiDAR設計導入的產品包括已量產的R系列SiPM、1x16/1x12 SiPM 陣列和工程樣品3D ToF SPAD 陣列,并提供評估板、參考設計和套件以幫助設計人員快速將產品落地。

而且,安森美半導體從一開始就考慮汽車認證去設計光電探測器及其封裝,并采用CMOS工藝,推出全球首款符合車規AEC-Q102的SiPM光電探測器ArrayRDM-0112A20-QFN,為激光雷達量產化鋪平道路。ArrayRDM-0112A20-QFN是單片1×12 SiPM像素陣列,基于安森美半導體領先市場的RDM工藝,可實現對近紅外光的高靈敏度,從而在905納米(nm)處達到領先業界的18.5%的光子探測效率 (PDE) 。 SiPM的高內部增益使其靈敏度可達到單光子水平,該功能與高PDE結合使用,可以檢測最微弱的返回信號。因此,即使是低反射目標,也能探測到更遠的距離(達300米以上)。更遠的距離使車輛有更多時間來應對意外障礙,從而提升道路安全性。

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圖3 用于激光雷達的車規級 SiPM陣列ArrayRDM-0112A20-QFN

SiPM用于工業激光雷達

激光雷達在工業領域的應用也非常廣泛,如料位監控、存儲檢索、堆高控制、材料厚度測量、占用檢測、物體檢測和分類、空倉檢測、人數計算/檢測、安保等。安森美半導體推出的SiPM dToF LiDAR 參考平臺 SECO-RANGEFINDER-GEVK是具成本優勢的單點dToF激光雷達系統,適用于室內導航、測距、碰撞檢測和3D制圖,測距范圍0.11 m 到 23 m,可作為評估套件或完整的參考設計,開箱即用,具有易于使用的圖形用戶界面(GUI),可調節系統變量,時間-數字轉換器(TDC)具有自動校準功能,軟件可調設置適用于各種工業和物聯網(IoT)應用,符合激光安全標準IEC / EN 60825-1:2014 、21 CFR 1040.10 和1040.11 (Laser Notice No. 56除外),獲美國食品和藥物管理局(FDA)認證。

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圖4 SiPM dToF LiDAR 參考平臺: SECO-RANGEFINDER-GEVK

此外,安森美半導體的矩陣型激光雷達評估套件Pandion EVK3 - PAN-400100-A-AI-GEVK3,固態光源Flash可以感知三米內的深度,掃描式的波速控制 (Beam Steering)可感知到100米左右的深度。它可用于評估,由Demo 3和DevWare處理的點云用于可視化,也可作為完整的輸出方案,構建到定制的LiDAR傳感器中,由客戶ECU或處理器處理點云數據,還可作為參考設計,安森美半導體可提供PCB 電路圖、布板、物料單(BOM)和 FPGA 代碼。

總結

LiDAR提供的高分辨率深度數據可在充滿挑戰的微光條件下即時準確地識別物體,正越來越廣泛地應用于汽車感知、工業測距等應用領域。SiPM和SPAD是實現激光雷達系統的核心器件,安森美半導體是擁有此技術的市場領袖,提供業界最高靈敏度、最佳一致性和低噪聲的產品,致力于實現符合車規、高增益、低成本、尺寸緊湊的光電探測器,解決行業挑戰,并提供參考設計和評估套件,幫助設計人員簡化開發,以加快實現激光雷達的大規模應用。



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