【導讀】隨著LiDAR（光檢測和測距，激光雷達）技術(shù)日趨成熟，產(chǎn)品的價格已相對更為合理，目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)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直接飛行時間（dToF）LiDAR的產(chǎn)品特性與應(yīng)用。
傳統(tǒng)深度傳感技術(shù)精度較低距離較短
當今市場中許多應(yīng)用都有對深度傳感進行精確測量的要求，包括工業(yè)、消費和汽車等相關(guān)產(chǎn)品。想要進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(jié)構(gòu)光方式進行測量。
立體三角測量方式是通過對來自兩個不同攝像頭的接收光進行三角測量以獲得距離探測，通過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)點是采用被動方法與標準圖像傳感器，缺點便是得需要2個攝像頭，最大探測距離則取決于攝像頭之間的距離，并高度依賴光照條件，且需要計算時的成本，適用于低成本深度攝像頭、室內(nèi)短距離應(yīng)用。
若想要使用單個攝像頭來獲取場景中點的距離，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在不同位置使用具有遮光罩的像素，來計算接收光的相位差，或使用同一微透鏡下的多個光電二極管來計算深度，這種方式優(yōu)點為采用被動方法與標準圖像傳感器，缺點為深度分辨率差，高度依賴光照條件，且需要計算時的成本，且測量的距離短，適用于智能手機的自動對焦。
另一種結(jié)構(gòu)光方式則是采用帶有傳統(tǒng)CMOS圖像傳感器的攝像頭，分析接收到的紅外光圖案，并使用失真來計算場景中的深度，失真的圖案可用于獲得物體的3D形狀，其優(yōu)點是適合短距離測量，缺點是采用主動方法，對環(huán)境光敏感，且深度誤差會隨距離增加，不適合遠距離，主要用于人臉識別。
LiDAR技術(shù)提供高精度與較長距離
本文重點介紹的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中，適用于各種應(yīng)用和用例，包括汽車、工業(yè)、機器人以及消費類的增強和虛擬現(xiàn)實（AR/VR）應(yīng)用。
通常，LiDAR采用直接飛行時間（dToF）測量技術(shù)，它計算發(fā)射信號與其回波之間的時間延遲，另一種方法則是間接飛行時間（iToF），兩種方法都可以使用脈沖或連續(xù)調(diào)制。
iToF利用圖像傳感器像素的調(diào)制，將許多光脈沖集成在有限數(shù)量的倉中，通常為2個，返回脈沖的時序則是通過測量不同倉中的電荷來確定的。iToF適用于更短距離的深度傳感應(yīng)用，并在室內(nèi)環(huán)境和傳感器沒有受到陽光直射的環(huán)境中使用。
dToF則適用于短程和長程深度傳感應(yīng)用，它提供更快的采集速率和測量多個回波的能力，允許檢測返回路徑中的多個對象，該方法可以通過單次測量或每次讀數(shù)累積多次測量來實現(xiàn)。
高靈敏度傳感器對LiDAR系統(tǒng)的性能至關(guān)重要，dToF LiDAR系統(tǒng)中使用的典型傳感器包括PIN二極管和雪崩光電二極管（APD）這類的線性模式檢測器，這些傳統(tǒng)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(guī)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、工業(yè)應(yīng)用中，有越來越多的測距和傳感應(yīng)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）波長的LiDAR應(yīng)用，例如汽車ADAS（高級駕駛員輔助系統(tǒng)）、3D深度圖、移動、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(tǒng)信號鏈可以使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）或時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）將檢測到的激光回波數(shù)字化?；贏DC的系統(tǒng)允許完全脈沖數(shù)字化，這提供了關(guān)于目標的附加信息，例如可以通過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，因為鑒別電路實現(xiàn)起來相對簡單，并且這種方法與窄脈沖寬度激光器兼容。這意味著每個脈沖可以使用更高的峰值功率，而不會影響眼睛安全限制。
成本優(yōu)化的工業(yè)和商業(yè)單點測距開發(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(yīng)用單點測距的完整開發(fā)套件。該套件基于安森美最新的NIR SiPM（RB系列），并集成了應(yīng)用所需的所有基本子系統(tǒng)，包括激光器和參考電路（Tx）、接收電路（Rx）、電源管理系統(tǒng)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（次納秒的上升時間）。該套件已通過FDA認證，并包括一個多功能GUI，可對測距性能進行全面評估，并調(diào)整系統(tǒng)變量，例如脈沖緩沖數(shù)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，具有開箱即用的操作，用戶友好的GUI和可調(diào)節(jié)的系統(tǒng)變量，可優(yōu)化系統(tǒng)成本，內(nèi)置TDC、基于FPGA（ice3），約為85ps的倉寬度，可進行自動TDC校準（FPGA參考時鐘），支持不同的電源供應(yīng)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(jù)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(yīng)用的軟件可調(diào)設(shè)置，可基于FPGA的TDC、讀出、通信接口和兩個穩(wěn)壓偏置電源的控制。安森美創(chuàng)建了一個軟件模型，可以準確確定各種輸入條件下的系統(tǒng)性能，以及一個包含SiPM傳感器的硬件測距平臺，可幫助開發(fā)人員熟悉底層技術(shù)和所有必要的構(gòu)建塊。
此外，該套件有助于評估系統(tǒng)的核心組件，例如SiPM傳感器。通過硬件上提供的測試點以及GUI上的各種功能和可配置參數(shù)，開發(fā)人員將可快速且用戶友好的方式來評估套件，并加快應(yīng)用的速度。此外，該套件還支持帶有藍牙?開發(fā)套件（BDK-GEVK）和其他各種傳感器、執(zhí)行器的可擴展系統(tǒng)，可應(yīng)用于室內(nèi)導航和測距、碰撞檢測、3D映射等領(lǐng)域。
結(jié)語
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，可以滿足工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用的測距需求。安森美的SiPM dToF LiDAR開發(fā)平臺，提供完整的軟硬件組合，能夠加快產(chǎn)品的開發(fā)速度，值得有意投入測距應(yīng)用產(chǎn)品的廠商深入了解與采用。
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