LiDAR应用中dToF的用途

作者：安森美半导体高级应用工程师 Edel Cashman

LiDAR表示“光检测和测距”，这是一种用于测量物体与传感设备之间距离的技术。LiDAR的工作原理与RADAR非常相似，但使用LiDAR时，无线电波会用光（通常为激光）所取代。LiDAR系统发射一束光，这束光击中目标之后反射，然后返回到光源附近的传感器。通过测量光传播的时间，而光速是恒定的，因此可以非常精确地计算出与目标之间的距离。在某个场景或目标区域中以固定间隔重复进行测量，就可以构建该区域环境的3D地图。

LiDAR技术适用于汽车领域，尤其是在先进驾驶辅助系统 (ADAS) 中，它可用于障碍物检测、防撞以及自适应巡航控制 (ACC) 和导航。然而，虽然人们经常讨论其在汽车领域的应用，实际上这只占LiDAR全部应用的极小部分。

在太空探索领域，LiDAR可用于创建行星表面的3D地形图，或计算天体与地球之间的距离。LiDAR在农业中用于调查农田和作物状况，这样农民就可以建模和预测作物产量，并监控作物生长。

LiDAR在林业的应用包括测量林冠，监控毁林行为以及用于预防森林火灾管理。LiDAR也可用于环境保护，如管理海岸侵蚀，监测沙丘以及收集冰川侵蚀方面的数据。在发生自然灾害期间，LiDAR可用于预测海啸或快速评估地震造成的损失。

LiDAR可用于多种工业应用，包括检查工厂生产线或规划大型建筑项目（如建筑物或道路）。LiDAR还可用于保护危险区域，如铁路交叉口附近区域。LiDAR可引导机器人车辆在仓库、码头和机场等应用设施周围安全行驶。

事实上，LiDAR在交通、建筑、测量、手势识别、采矿、执法、可再生能源和地质等领域有数百种用途。

LiDAR应用中dToF的用途

LiDAR技术的关键是直接飞行时间 (dToF) 。在典型的LiDAR系统中，激光器用于产生光脉冲。当光脉冲击中其路径中的物体时，光线会被反射回来，尽管大部分光会散射，但一些光仍会被反射回LiDAR系统中的传感器。

图1：LiDAR应用中的dToF原理

系统中的精确时钟可确定光线到达物体并返回所花费的时间。由于光速为恒定值 (c) ，因此可以轻松地计算出与物体之间的距离。LiDAR系统中具有极其精确的时钟，因此可实现非常高的精度。

能够确定与某个点之间的距离非常有用，如果在扫描模式下移动光源并记录每个距离值及其在扫描区域中的位置，就可以快速构建3D地图。这就是LiDAR的主要用途，有助于实现本文前面提到的许多新兴应用。

硅光电倍增管 (SiPM) —必要的传感元件

对于任何LiDAR系统来说，准确捕获和量化反射的激光至关重要。在LiDAR系统中，表现较突出的一款传感器就是硅光电倍增管 (SiPM) ，它集成了大量外形小巧的独立单光子雪崩二极管 (SPAD) 传感器。

图2：SiPM由具有求和输出功能的微单元阵列组成

每个微型传感点都有一个猝熄电阻，称为“微单元”，该单元只有几平方微米大小。当微单元吸收光子时，可能会引发盖革式雪崩，从而导致大量光电流流经微单元。这样就会导致猝熄电阻出现压降，可减少二极管偏置并猝灭电流，从而防止出现盖革模式雪崩。然后，微单元就会重置，并准备进行下一次测量。

通常，在SiPM上，每平方毫米有100到数千个微单元，每个微单元均以相同的方式独立检测光子。每个微单元的电流汇聚在一起形成准模拟输出，该输出可提供有关瞬时光子通量大小的信息。

检测和测量光子的替代技术包括雪崩光电二极管 (APD) 和PIN二极管。然而，由于SiPM传感器能够检测到单光子，且具有较高增益，因此相对于这两种技术是一种改进。这种增强性能允许在非常远的距离检测低反射率目标，从而能够满足许多LiDAR应用的需求。

SiPM传感器可作为完整的解决方案提供，如安森美半导体的RB系列，该系列对电磁波谱的红色和近红外区域比较敏感。该系列传感器具有灵敏度高、信号响应快、工作电压低以及工作电压温度系数低的特点。它们采用小巧 (1.5 mm x 1.8 mm) 而坚固的MLP（模制引线框架封装）封装，适用于回流焊接工艺。

有三种类型可供选择，区别在于微单元尺寸（10mm、20mm或35mm），但每个设备的有效感测面积均为1 mm x 1 mm。微单元较大的型号检测效率更高，而微单元较小的型号动态范围更大。所有设备都具有信号响应速度快的特点，标准输出约为1.0 ns，而快速输出约为500 ps。

SiPM dToF LiDAR平台

尽管dToF原理相对比较简单，但由于SiPM检测返回光线的精度要求高，因此开发功能齐全的解决方案仍会面临挑战。为了帮助开发高性能LiDAR工业测距应用的工程师，安森美半导体提供了一款基于dToF原理的完整LiDAR解决方案的开发平台。

图3：LiDAR平台概念综述

为减少开发工作，该平台实际上是一个适合多种应用的统包解决方案，可通过软件来调整设置。我们对整体系统成本进行了优化，并提供所有硬件（BoM、原理图、PCB光绘）、软件和源文件。

本系统为1 mm至23 m范围内的单点提供dToF功能，并且包含平凸透镜，以实现更大距离测量。仅需使用3.3 V或5 V单电源工作。我们还提供专用GUI来配置频率和脉宽以及设置降压和升压。

总结

在许多行业中，对周围环境进行测量和监控变得越来越重要。LiDAR等现代技术不仅可以提供比人工测量方法更高的精度，还可以减少完成任务所需的时间。

虽然dToF LiDAR的原理比较简单，但整个实现过程中充满了挑战，尤其是对于首次使用的设计人员来说。安森美半导体提供了一个参考平台，用于展示进行LiDAR技术产品设计的实际效果。这款综合平台能够为设计人员提供快速、可靠地进行概念验证所需的所有信息、硬件和软件。