SiPM传感器提升LiDAR的性能表现

LiDAR（激光雷达）是一种测距技术，越来越多地用于移动测距、汽车ADAS（高级驾驶员辅助系统）、手势识别和3D映射等应用，市场发展潜力极为惊人。本文将为您介绍LiDAR的发展趋势，以及由安森美（onsemi）所推出的硅光电倍增管（SiPM）直接飞行时间（dToF）LiDAR平台开发套件。

LiDAR采用ToF技术来测量距离

LiDAR早先称为光雷达，因为那时使用的光源均非激光，但自激光器出现以来，激光作为高亮度、低发散的相干光特别适合作光雷达的光源，所以光雷达均使用激光器作光源，名称也就统称为激光雷达了。

LiDAR是一种集激光，全球定位系统（GPS）和惯性导航系统（INS）三种技术于一身的系统，用于获得点云数据并生成精确的数字化三维模型。这三种技术的结合，可以在一致绝对测量点位的情况下获取周围的三维实景。

LiDAR系统主要由激光器、相控阵、微机电系统、扫描仪和光学组件、光电探测器和接收器电子器件、定位和导航系统、传感器等几个主要组件构成。依照不同的设计理念，可以分类成基于方向、基于扫描机制、基于平台等不同类型。

LiDAR采用飞行时间（Time of flight, ToF）技术来测量距离，量测物质、粒子或是波（声波或电磁波）在介质中行进需要的时间，其可以用直接的方式侦测行进物体，称为直接飞行时间（dToF），也可以用间接的散射光进行量测，称为间接飞行时间（iToF），通过计算发射信号与其回波之间的时间延迟来计算距离。iToF适用于更短距离的深度传感应用，并在室内环境和传感器没有受到阳光直射的环境中使用，dToF则适用于短程和长程的深度传感应用。

SiPM传感器具有LiDAR所需的性能

SiPM是一种传感器，是基于在普通硅衬底上实现的单光子雪崩二极管（SPAD）的固态单光子敏感器件，可应对低至单光子水平的低光信号的感测、计时和量化挑战。传统上属于光电倍增管（PMT）领域的SiPM现在提供了一种极具吸引力的替代方案，它结合了PMT的低光检测能力，同时提供固态传感器的所有优势。SiPM具有低电压操作、对磁场不敏感、机械坚固性和出色的响应均匀性等特点。由于这些特性，SiPM在医学成像、危险和威胁检测、生物光子学、高能物理和LiDAR领域迅速获得了经过验证的性能。

使用SiPM作为光电传感器与APD、PIN二极管和PMT等替代传感器技术相比具有许多优势，特别是对于移动和大批量产品。SiPM是一种单光敏、高性能、固态传感器，它由带有集成焠火电阻器的紧密排列的SPAD传感器组成，从而形成具有高增益（~1x106）、高检测效率（> 50%）和快速定时（次纳秒的上升时间）的产品特性。

与传统的PMT相比，光电子增益通常更具确定性，从而导致极低至可忽略的超额噪声系数。因此，固定数量的检测到的光子的SNR（信噪比）可以高于PMT。相反，PMT的随机增益通常需要更多检测到的光子才能获得相同的SNR。如果大量的SPAD排列在一起，动态范围可以比PMT大几个数量级，从而在不饱和的情况下，实现更快的成像速率或更高的SNR。此外，硅电子器件的大规模生产，使得SiPM的制造成本相对于真空管而言将更为低廉。 

高增益和高带宽的SiPM传感器

在物联网（IoT）中，越来越多的测距和传感应用希望从低功耗、高性能SiPM技术中获益。特别是使用对人眼安全的近红外（NIR）波长的LiDAR应用，例如汽车ADAS、3D深度图、移动、消费和工业测距。

为了利用SiPM传感器的高增益和高带宽，可以使用dToF以最低的功率预算提供精确的测距。安森美SiPM的高灵敏度允许使用低功率激光器来提高眼睛安全性。安森美已经创建了一个软件模型，允许在各种输入条件下准确确定系统性能，以及一个包含SiPM传感器的硬件测距平台。利用SiPM传感器的高增益和高带宽，dToF可用于提供高达23米的精确测距，而不会影响电池寿命。

安森美推出的SiPM传感器可以提供从250 nm到1100 nm的单光子检测，支持低电压可易于实现系统要求，拥有低功耗特性，能以较低的工作电压和简单的读出电路允许低功耗设计，具有高带宽和快速响应时间，可最小化范围测量时间，并能够利用低激光功率dToF测距技术的优势，拥有低噪声和高增益特性，可实现良好的SNR，采用标准CMOS制造工艺，具备低成本、高度一致和可扩展的生产，并采用小尺寸SMT封装，可提供仅1 mm的传感器。 

SiPM dToF LiDAR平台开发套件

由安森美推出的SiPM dToF LiDAR平台开发套件，展示了一个完整的测距应用，并帮助开发人员熟悉底层技术和所有必要的构建模块。此外，该套件有助于评估系统的核心组件，例如SiPM传感器。通过硬件上提供的测试点和GUI上的各种功能和可配置参数，开发人员将找到一种快速且用户友好的方式来评估套件，并加快应用开发的速度。

这个高度集成的SECO-RANGEFINDER-GEVK开发工具套件，是一套采用SiPM dToF的LiDAR平台，该开发板提供即插即用功能，它由SiPM组成，它是一种单光敏、高性能、固态传感器，是一个单点测距仪应用的完整开发套件，适用于需要成本优化的工业和商业应用。

这个开发工具套件是基于安森美最新的NIR SiPM（RB系列），并集成了所有必要的系统组件，包含了所有基本子系统，用于涉及激光和参考电路（Tx）、接收电路（Rx）、电源管理系统、以及核心FPGA和UART通信的应用。这个套件包括一个多功能GUI，可以对测距性能进行全面评估，并可以调整系统变量，例如SiPM-RB光电倍增管的脉冲数或偏置电压。

SECO-RANGEFINDER-GEVK开发工具套件可用于单点应用的dToF操作，具有大于0.11米至23米的可探测范围，运行方便快捷，具有专用的用户友好的GUI，可进行开箱即用操作，系统变量可调节，并可优化系统成本，内置时间-数字转换器（TDC），基于FPGA（ice3），约为85ps仓宽度，可执行自动TDC校准（FPGA参考时钟），支持不同电源选项，包括USB（5V）与PMOD连接器（3.3V），并具有优化的系统成本。

该套件采用的激光和光学器件包括RB系列SiPM传感器、905nm激光二极管发射器、650-1050 nm镀膜的BK7平凸透镜，可最大化测量距离，并具有905±5nm带通光学滤波器（FWHM为30±5 nm）用于接收电路，可在所选频谱中达到最高灵敏度，并符合BS EN 60825−1:2014在正常操作条件和单一故障条件下对1类激光产品的功率要求，且通过符合激光安全标准IEC/EN 60825-1:2014和21 CFR 1040.10和1040.11（第56号激光通告的偏差除外）与FDA标准认证。

此开发平台还带有蓝牙®开发套件（BDK−GEVK）和其他各种传感器和执行器的可扩展系统，并提供多种软件，包括适用于各种工业和物联网应用的软件可调设置、基于FPGA的TDC，支持读出、通信接口，以及两个稳压偏置电源的控制。该开发平台可应用于室内导航和测距（探测距离可达23m）、碰撞检测、3D映射等应用。

结语

随着LiDAR相关技术的逐渐成熟，其成本也逐渐降低到市场可接受的程度，结合自动驾驶技术的发展，有更多的汽车也开始大量采用LiDAR系统来侦测距离、避免碰撞、创建3D映射，另外在消费性产品市场中，扫地机器人、无人机等产品，也是LiDAR的重要应用领域，未来的市场潜力极为可观，值得有兴趣的厂家加快脚步投入相关产品开发，抢占市场商机。