【導讀】隨著(zhù)LiDAR（光檢測和測距，激光雷達）技術(shù)日趨成熟，產(chǎn)品的價(jià)格已相對更為合理，目前已經(jīng)廣泛地應用于導航、測距、碰撞檢測、3D映射相關(guān)領(lǐng)域。本文將為您介紹由安森美（onsemi）所推出SiPM直接飛行時(shí)間（dToF）LiDAR的產(chǎn)品特性與應用。
傳統深度傳感技術(shù)精度較低距離較短
當今市場(chǎng)中許多應用都有對深度傳感進(jìn)行精確測量的要求，包括工業(yè)、消費和汽車(chē)等相關(guān)產(chǎn)品。想要進(jìn)行深度傳感有許多不同的方法，包括使用標準CMOS圖像傳感器以立體三角測量、相位檢測像素和結構光方式進(jìn)行測量。
立體三角測量方式是通過(guò)對來(lái)自?xún)蓚€(gè)不同攝像頭的接收光進(jìn)行三角測量以獲得距離探測，通過(guò)比較攝像頭拍攝的圖像之間物體的位置差異，便可以計算出攝像頭到物體之間的距離。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是采用被動(dòng)方法與標準圖像傳感器，缺點(diǎn)便是得需要2個(gè)攝像頭，最大探測距離則取決于攝像頭之間的距離，并高度依賴(lài)光照條件，且需要計算時(shí)的成本，適用于低成本深度攝像頭、室內短距離應用。
若想要使用單個(gè)攝像頭來(lái)獲取場(chǎng)景中點(diǎn)的距離，便須采用相位檢測像素技術(shù)，圖像傳感器可以在像素層級通過(guò)在不同位置使用具有遮光罩的像素，來(lái)計算接收光的相位差，或使用同一微透鏡下的多個(gè)光電二極管來(lái)計算深度，這種方式優(yōu)點(diǎn)為采用被動(dòng)方法與標準圖像傳感器，缺點(diǎn)為深度分辨率差，高度依賴(lài)光照條件，且需要計算時(shí)的成本，且測量的距離短，適用于智能手機的自動(dòng)對焦。
另一種結構光方式則是采用帶有傳統CMOS圖像傳感器的攝像頭，分析接收到的紅外光圖案，并使用失真來(lái)計算場(chǎng)景中的深度，失真的圖案可用于獲得物體的3D形狀，其優(yōu)點(diǎn)是適合短距離測量，缺點(diǎn)是采用主動(dòng)方法，對環(huán)境光敏感，且深度誤差會(huì )隨距離增加，不適合遠距離，主要用于人臉識別。
LiDAR技術(shù)提供高精度與較長(cháng)距離
本文重點(diǎn)介紹的LiDAR技術(shù)由于具有高深度和角度分辨率，以及使用紅外光發(fā)射器和接收器的主動(dòng)方法，而能夠在所有光照條件下工作，因此可以提供優(yōu)于上述替代方法的深度傳感。LiDAR廣泛部署在許多不同的市場(chǎng)中，適用于各種應用和用例，包括汽車(chē)、工業(yè)、機器人以及消費類(lèi)的增強和虛擬現實(shí)（AR/VR）應用。
通常，LiDAR采用直接飛行時(shí)間（dToF）測量技術(shù)，它計算發(fā)射信號與其回波之間的時(shí)間延遲，另一種方法則是間接飛行時(shí)間（iToF），兩種方法都可以使用脈沖或連續調制。
iToF利用圖像傳感器像素的調制，將許多光脈沖集成在有限數量的倉中，通常為2個(gè)，返回脈沖的時(shí)序則是通過(guò)測量不同倉中的電荷來(lái)確定的。iToF適用于更短距離的深度傳感應用，并在室內環(huán)境和傳感器沒(méi)有受到陽(yáng)光直射的環(huán)境中使用。
dToF則適用于短程和長(cháng)程深度傳感應用，它提供更快的采集速率和測量多個(gè)回波的能力，允許檢測返回路徑中的多個(gè)對象，該方法可以通過(guò)單次測量或每次讀數累積多次測量來(lái)實(shí)現。
高靈敏度傳感器對LiDAR系統的性能至關(guān)重要，dToF LiDAR系統中使用的典型傳感器包括PIN二極管和雪崩光電二極管（APD）這類(lèi)的線(xiàn)性模式檢測器，這些傳統探測器正在迅速被高性能傳感器所取代，包括硅光電倍增管（SiPM）、SiPM陣列和單光子雪崩光電二極管（SPAD）陣列，這些傳感器采用CMOS工藝制造，可提供嚴格的部件間一致性、低電壓操作和非常高的增益特性，這對于大批量低成本和高性能LiDAR大規模生產(chǎn)是相當理想的。
SiPM dToF LiDAR以低功率提供準確測距
在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、汽車(chē)、工業(yè)應用中，有越來(lái)越多的測距和傳感應用，希望從低功耗、高性能SiPM技術(shù)中受益。特別是使用人眼安全的近紅外（NIR）波長(cháng)的LiDAR應用，例如汽車(chē)ADAS（高級駕駛員輔助系統）、3D深度圖、移動(dòng)、消費和工業(yè)測距。
為了利用SiPM傳感器的高增益和高帶寬，可以使用dToF技術(shù)以最低的功率預算提供準確的測距。當光子返回后，LiDAR系統信號鏈可以使用模數轉換器（ADC）或時(shí)間數字轉換器（TDC）將檢測到的激光回波數字化?；贏(yíng)DC的系統允許完全脈沖數字化，這提供了關(guān)于目標的附加信息，例如可以通過(guò)脈沖形狀推斷的反射率。然而，基于TDC的方法具有成本和功率優(yōu)勢，因為鑒別電路實(shí)現起來(lái)相對簡(jiǎn)單，并且這種方法與窄脈沖寬度激光器兼容。這意味著(zhù)每個(gè)脈沖可以使用更高的峰值功率，而不會(huì )影響眼睛安全限制。
成本優(yōu)化的工業(yè)和商業(yè)單點(diǎn)測距開(kāi)發(fā)套件
由安森美推出的SECO-RANGEFINDER-GEVK，是一款SiPM dToF LiDAR平臺，這是一款用于成本優(yōu)化的工業(yè)和商業(yè)應用單點(diǎn)測距的完整開(kāi)發(fā)套件。該套件基于安森美最新的NIR SiPM（RB系列），并集成了應用所需的所有基本子系統，包括激光器和參考電路（Tx）、接收電路（Rx）、電源管理系統和核心FPGA和UART通信。
SiPM是一種單光敏、高性能、固態(tài)傳感器，它由緊密排列的SPAD傳感器和集成降壓電阻的總和陣列組成，從而形成具有高增益（~1x106）、高檢測效率（> 50%）和快速定時(shí)（次納秒的上升時(shí)間）。該套件已通過(guò)FDA認證，并包括一個(gè)多功能GUI，可對測距性能進(jìn)行全面評估，并調整系統變量，例如脈沖緩沖數或SiPM-RB光電倍增管的偏置電壓。
SECO-RANGEFINDER-GEVK支持大于0.11 m至23 m可檢測范圍，具有開(kāi)箱即用的操作，用戶(hù)友好的GUI和可調節的系統變量，可優(yōu)化系統成本，內置TDC、基于FPGA（ice3），約為85ps的倉寬度，可進(jìn)行自動(dòng)TDC校準（FPGA參考時(shí)鐘），支持不同的電源供應選擇，包括USB（5V）、PMOD連接器（3.3V），采用RB系列SiPM檢測器，這是一款905nm激光二極管發(fā)射器，具有650-1050nm鍍膜BK7平凸透鏡，可最大化距離測量，用于RX的則是905±5nm帶通濾光片（FWHM: 30±5nm），可在選定光譜中獲得最高的靈敏度，符合激光安全標準IEC/EN 60825-1:2014、21 CFR 1040.10和1040.11，但根據Laser Notice No. 56的偏差除外，安森美SiPM的高靈敏度允許使用低功率激光器來(lái)提高眼睛的安全性。
SECO-RANGEFINDER-GEVK提供適用于各種工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)應用的軟件可調設置，可基于FPGA的TDC、讀出、通信接口和兩個(gè)穩壓偏置電源的控制。安森美創(chuàng )建了一個(gè)軟件模型，可以準確確定各種輸入條件下的系統性能，以及一個(gè)包含SiPM傳感器的硬件測距平臺，可幫助開(kāi)發(fā)人員熟悉底層技術(shù)和所有必要的構建塊。
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(guò)硬件上提供的測試點(diǎn)以及GUI上的各種功能和可配置參數，開(kāi)發(fā)人員將可快速且用戶(hù)友好的方式來(lái)評估套件，并加快應用的速度。此外，該套件還支持帶有藍牙?開(kāi)發(fā)套件（BDK-GEVK）和其他各種傳感器、執行器的可擴展系統，可應用于室內導航和測距、碰撞檢測、3D映射等領(lǐng)域。
結語(yǔ)
SiPM dToF LiDAR具備高增益和高帶寬，能夠以最低的功率預算提供準確的測距，可以滿(mǎn)足工業(yè)和商業(yè)應用的測距需求。安森美的SiPM dToF LiDAR開(kāi)發(fā)平臺，提供完整的軟硬件組合，能夠加快產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)速度，值得有意投入測距應用產(chǎn)品的廠(chǎng)商深入了解與采用。
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