【導讀】LiDAR（激光雷達）是一種測距技術，越來越多地用于移動測距、汽車ADAS（高級駕駛員輔助系統）、手勢識別和3D映射等應用，市場發展潛力極為驚人。本文將為您介紹LiDAR的發展趨勢，以及由安森美（onsemi）所推出的硅光電倍增管（SiPM）直接飛行時間（dToF）LiDAR平臺開發套件。
LiDAR采用ToF技術來測量距離
LiDAR早先稱為光雷達，因為那時使用的光源均非激光，但自激光器出現以來，激光作為高亮度、低發散的相干光特別適合作光雷達的光源，所以光雷達均使用激光器作光源，名稱也就統稱為激光雷達了。
LiDAR是一種集激光，全球定位系統（GPS）和慣性導航系統（INS）三種技術于一身的系統，用于獲得點云數據并生成精確的數字化三維模型。這三種技術的結合，可以在一致絕對測量點位的情況下獲取周圍的三維實景。
LiDAR系統主要由激光器、相控陣、微機電系統、掃描儀和光學組件、光電探測器和接收器電子器件、定位和導航系統、傳感器等幾個主要組件構成。依照不同的設計理念，可以分類成基于方向、基于掃描機制、基于平臺等不同類型。
LiDAR采用飛行時間（Time of flight, ToF）技術來測量距離，量測物質、粒子或是波（聲波或電磁波）在介質中行進需要的時間，其可以用直接的方式偵測行進物體，稱為直接飛行時間（dToF），也可以用間接的散射光進行量測，稱為間接飛行時間（iToF），通過計算發射信號與其回波之間的時間延遲來計算距離。iToF適用于更短距離的深度傳感應用，并在室內環境和傳感器沒有受到陽光直射的環境中使用，dToF則適用于短程和長程的深度傳感應用。
SiPM傳感器具有LiDAR所需的性能
SiPM是一種傳感器，是基于在普通硅襯底上實現的單光子雪崩二極管（SPAD）的固態單光子敏感器件，可應對低至單光子水平的低光信號的感測、計時和量化挑戰。傳統上屬于光電倍增管（PMT）領域的SiPM現在提供了一種極具吸引力的替代方案，它結合了PMT的低光檢測能力，同時提供固態傳感器的所有優勢。SiPM具有低電壓操作、對磁場不敏感、機械堅固性和出色的響應均勻性等特點。由于這些特性，SiPM在醫學成像、危險和威脅檢測、生物光子學、高能物理和LiDAR領域迅速獲得了經過驗證的性能。
使用SiPM作為光電傳感器與APD、PIN二極管和PMT等替代傳感器技術相比具有許多優勢，特別是對于移動和大批量產品。SiPM是一種單光敏、高性能、固態傳感器，它由帶有集成焠火電阻器的緊密排列的SPAD傳感器組成，從而形成具有高增益（~1x106）、高檢測效率（> 50%）和快速定時（次納秒的上升時間）的產品特性。
與傳統的PMT相比，光電子增益通常更具確定性，從而導致極低至可忽略的超額噪聲系數。因此，固定數量的檢測到的光子的SNR（信噪比）可以高于PMT。相反，PMT的隨機增益通常需要更多檢測到的光子才能獲得相同的SNR。如果大量的SPAD排列在一起，動態范圍可以比PMT大幾個數量級，從而在不飽和的情況下，實現更快的成像速率或更高的SNR。此外，硅電子器件的大規模生產，使得SiPM的制造成本相對于真空管而言將更為低廉。
高增益和高帶寬的SiPM傳感器
在物聯網（IoT）中，越來越多的測距和傳感應用希望從低功耗、高性能SiPM技術中獲益。特別是使用對人眼安全的近紅外（NIR）波長的LiDAR應用，例如汽車ADAS、3D深度圖、移動、消費和工業測距。
為了利用SiPM傳感器的高增益和高帶寬，可以使用dToF以最低的功率預算提供精確的測距。安森美SiPM的高靈敏度允許使用低功率激光器來提高眼睛安全性。安森美已經創建了一個軟件模型，允許在各種輸入條件下準確確定系統性能，以及一個包含SiPM傳感器的硬件測距平臺。利用SiPM傳感器的高增益和高帶寬，dToF可用于提供高達23米的精確測距，而不會影響電池壽命。
安森美推出的SiPM傳感器可以提供從250 nm到1100 nm的單光子檢測，支持低電壓可易于實現系統要求，擁有低功耗特性，能以較低的工作電壓和簡單的讀出電路允許低功耗設計，具有高帶寬和快速響應時間，可最小化范圍測量時間，并能夠利用低激光功率dToF測距技術的優勢，擁有低噪聲和高增益特性，可實現良好的SNR，采用標準CMOS制造工藝，具備低成本、高度一致和可擴展的生產，并采用小尺寸SMT封裝，可提供僅1 mm的傳感器。
SiPM dToF LiDAR平臺開發套件
由安森美推出的SiPM dToF LiDAR平臺開發套件，展示了一個完整的測距應用，并幫助開發人員熟悉底層技術和所有必要的構建模塊。此外，該套件有助于評估系統的核心組件，例如SiPM傳感器。通過硬件上提供的測試點和GUI上的各種功能和可配置參數，開發人員將找到一種快速且用戶友好的方式來評估套件，并加快應用開發的速度。
這個高度集成的SECO-RANGEFINDER-GEVK開發工具套件，是一套采用SiPM dToF的LiDAR平臺，該開發板提供即插即用功能，它由SiPM組成，它是一種單光敏、高性能、固態傳感器，是一個單點測距儀應用的完整開發套件，適用于需要成本優化的工業和商業應用。
這個開發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統組件，包含了所有基本子系統，用于涉及激光和參考電路（Tx）、接收電路（Rx）、電源管理系統、以及核心FPGA和UART通信的應用。這個套件包括一個多功能GUI，可以對測距性能進行全面評估，并可以調整系統變量，例如SiPM-RB光電倍增管的脈沖數或偏置電壓。
SECO-RANGEFINDER-GEVK開發工具套件可用于單點應用的dToF操作，具有大于0.11米至23米的可探測范圍，運行方便快捷，具有專用的用戶友好的GUI，可進行開箱即用操作，系統變量可調節，并可優化系統成本，內置時間-數字轉換器（TDC），基于FPGA（ice3），約為85ps倉寬度，可執行自動TDC校準（FPGA參考時鐘），支持不同電源選項，包括USB（5V）與PMOD連接器（3.3V），并具有優化的系統成本。
該套件采用的激光和光學器件包括RB系列SiPM傳感器、905nm激光二極管發射器、650-1050 nm鍍膜的BK7平凸透鏡，可最大化測量距離，并具有905±5nm帶通光學濾波器（FWHM為30±5 nm）用于接收電路，可在所選頻譜中達到最高靈敏度，并符合BS EN 60825?1:2014在正常操作條件和單一故障條件下對1類激光產品的功率要求，且通過符合激光安全標準IEC/EN 60825-1:2014和21 CFR 1040.10和1040.11（第56號激光通告的偏差除外）與FDA標準認證。
此開發平臺還帶有藍牙?開發套件（BDK?GEVK）和其他各種傳感器和執行器的可擴展系統，并提供多種軟件，包括適用于各種工業和物聯網應用的軟件可調設置、基于FPGA的TDC，支持讀出、通信接口，以及兩個穩壓偏置電源的控制。該開發平臺可應用于室內導航和測距（探測距離可達23m）、碰撞檢測、3D映射等應用。
結語
隨著LiDAR相關技術的逐漸成熟，其成本也逐漸降低到市場可接受的程度，結合自動駕駛技術的發展，有更多的汽車也開始大量采用LiDAR系統來偵測距離、避免碰撞、創建3D映射，另外在消費性產品市場中，掃地機器人、無人機等產品，也是LiDAR的重要應用領域，未來的市場潛力極為可觀，值得有興趣的廠家加快腳步投入相關產品開發，搶占市場商機。
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