【導(dǎo)讀】隨著LiDAR（光檢測和測距，激光雷達(dá)）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(yīng)用于導(dǎo)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(yīng)用。
傳統(tǒng)深度傳感技術(shù)精度較低距離較短
當(dāng)今市場中許多應(yīng)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(fèi)和汽車等相關(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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行測量。
立體三角測量方式是通過對來自兩個(gè)不同攝像頭的接收光進(jìn)行三角測量以獲得距離探測，通過比較攝像頭拍攝的圖像之間物體的位置差異，便可以計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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，并高度依賴光照條件，且需要計(jì)算時(shí)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(gè)攝像頭來獲取場景中點(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(jí)通過在不同位置使用具有遮光罩的像素，來計(jì)算接收光的相位差，或使用同一微透鏡下的多個(gè)光電二極管來計(jì)算深度，這種方式優(yōu)點(diǎn)為采用被動(dòng)方法與標(biāo)準(zhǔn)圖像傳感器，缺點(diǎn)為深度分辨率差，高度依賴光照條件，且需要計(jì)算時(shí)的成本，且測量的距離短，適用于智能手機(jī)的自動(dòng)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(jì)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(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(yuǎn)距離，主要用于人臉識(shí)別。
LiDAR技術(shù)提供高精度與較長距離
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中，適用于各種應(yīng)用和用例，包括汽車、工業(yè)、機(jī)器人以及消費(fèi)類的增強(qiáng)和虛擬現(xiàn)實(shí)（AR/VR）應(yīng)用。
通常，LiDAR采用直接飛行時(shí)間（dToF）測量技術(shù)，它計(jì)算發(fā)射信號(hào)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(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(gè)，返回脈沖的時(shí)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(gè)回波的能力，允許檢測返回路徑中的多個(gè)對象，該方法可以通過單次測量或每次讀數(shù)累積多次測量來實(shí)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(yán)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(dāng)理想的。
SiPM dToF LiDAR以低功率提供準(zhǔn)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(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)）、3D深度圖、移動(dòng)、消費(fèi)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(yù)算提供準(zhǔn)確的測距。當(dāng)光子返回后，LiDAR系統(tǒng)信號(hào)鏈可以使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）或時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）將檢測到的激光回波數(shù)字化。基于ADC的系統(tǒng)允許完全脈沖數(shù)字化，這提供了關(guān)于目標(biāo)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?yàn)殍b別電路實(shí)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(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)測距開發(fā)套件
由安森美推出的SECO-RANGEFINDER-GEVK，是一款SiPM dToF LiDAR平臺(tái)，這是一款用于成本優(yōu)化的工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用單點(diǎn)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(shí)（次納秒的上升時(shí)間）。該套件已通過FDA認(rèn)證，并包括一個(gè)多功能GUI，可對測距性能進(jìn)行全面評(píng)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(jìn)行自動(dòng)TDC校準(zhǔn)（FPGA參考時(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)穩(wěn)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(zhǔn)確確定各種輸入條件下的系統(tǒng)性能，以及一個(gè)包含SiPM傳感器的硬件測距平臺(tái)，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(píng)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(diǎn)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(píng)估套件，并加快應(yīng)用的速度。此外，該套件還支持帶有藍(lán)牙?開發(fā)套件（BDK-GEVK）和其他各種傳感器、執(zhí)行器的可擴(kuò)展系統(tǒng)，可應(yīng)用于室內(nèi)導(dǎo)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(yù)算提供準(zhǔn)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(tái)，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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