LiDAR(激光雷达)是一种测距技术。近年来，它越来越多地应用于高级驾驶辅助系统(ADAS)、手势识别和三维地图绘制。尤其是在汽车领域，随着传感器融合的趋势，激光雷达将成像、超声波和毫米波雷达相结合，优势互补，为汽车提供全方位感知，为更安全的自动驾驶铺平道路。安森半导体提供这种全方位的传感器解决方案，其技术遥遥领先。市场领导者之一是单光子雪崩二极管(SPAD)和硅光电倍增管(SiPM)传感器技术，提供完整的激光雷达解决方案，包括系统、传感器、输出和激光驱动器解决方案。 　　

　　

　　安森美半导体完整的LiDAR方案 　　

　　

　　激光雷达系统有六个主要的硬件功能模块：发射、接收、光束控制、光学、输出和电源管理。典型的激光雷达系统框图如图1所示。其中，安森半导体可以提供SiPM/SPAD、激光驱动器参考设计、电源管理、放大与处理、时间序列、直方图、点云生成甚至系统等。成熟的模拟SiPM产品包括C系列、J系列和R系列。有SiPM阵列扫描激光雷达演示器(扫描距离超过100 m)、将SiPM与图像传感器相结合的FUSEONE，以及最新的400 x 100 SPAD阵列Pandion。 　　

　　

　　 　　

　　

　　图1:典型激光雷达系统框图 　　

　　

　　什么是SPAD、SiPM和ToF 　　

　　

　　SPAD是一种工作在盖革模式的光电二极管，就像一个光子触发开关，处于“开”或“关”的状态。SiPM由几个独立的SPAD传感器组成，每个传感器都有自己的猝灭电阻，克服了单个SPAD不能同时测量多个光子的不足。飞行时间(ToF)是指向目标发送光脉冲，然后传感器接收到目标返回的光所需的时间。通过光速和ToF，可以计算出目标距离。这个概念非常简单，但是它受到了许多现实世界挑战的挑战，包括光照条件、低反射率目标和远距离等恶劣环境。目前，ToF测量技术有两种：单激光脉冲法和多激光脉冲法。单脉冲激光法是指一次测量单个脉冲的返回时间，要求信噪比高。多脉冲激光法是指一次测量多个脉冲的返回时间，通过直方图数据获得距离。如果信噪比提高，可以实现更远距离的探测。ToF激光雷达可用于许多应用，如机器人、无人机、工业、移动、汽车ADAS、自动驾驶和增强现实(AR)/虚拟现实(VR)等。 　　

　　

　　SiPM和SPAD正成为新兴的LiDAR探测器 　　

　　

　　SiPM和SPAD可以探测距离超过200 m和5%的低反射率目标，它们可以在明亮的阳光下工作，具有出色的分辨率。而且最小的光圈和固态设计可以实现紧凑的系统集成到车内，有很大的成本优势。它们正在成为新兴的激光雷达探测器。 　　

　　

　　 　　

　　

　　汽车LiDAR传感器要求 　　

　　

　　1.严格一致性 　　

　　

　　由于SiPM/SPAD工作在盖革模式下，很难控制产品的一致性。目前，安森半导体是一家全球供应商，真正具备批量生产SiPM产品的能力。它提供的百万传感器的电压和增益非常一致，便于系统校准，降低制造成本。 　　

　　

　　2.遵守车辆法规(IATF 16949，AEC Q102，-40至1050C工作温度，PPAP) 　　

　　

　　安森美半导体积累了多年的汽车生产专业经验，拥有完善的汽车产品质量监控体系。从一开始，汽车认证就被认为是设计传感器和封装。 　　

　　

　　3.905纳米的高光子探测率(PDE) 　　

　　

　　目前昂美半导体的SiPM在同类产品中PDE最好，超过12%，2020年将达到30%。 　　

　　

　　4.高增益 　　

　　

　　SiPM的增益是雪崩光电二极管(APD)的1万倍，PIN二极管的100万倍，串扰为20，提供了出色的信噪比。 　　

　　

　　SiPM 阵列扫描LiDAR 系统 　　

　　

　　SiPM阵列扫描激光雷达由16个905 nm激光二极管、用于光束控制的机电旋转镜、单芯片116 SIPM ON半导体阵列和处理电子设备组成。视角(AOV)为80 5.53，脉宽为1 ns，系统峰值功率为400 W，系统尺寸为22cm18cm13cm。该系统利用1D阵列同时对多个垂直点进行采样，结合水平单轴扫描，可以获得完整的视场图像，实现对远距离低反射率目标的实时成像 　　

　　

　　FUSEONE将一个200万像素的汽车级图像传感器与基于SiPM的闪光激光雷达结合在一起，通过软件应用程序融合摄像头和激光雷达，获得目标距离和移动速率等数据。高灵敏度SiPM检测器和幻影智能算法实现了增强的距离能力。FUSEONE因为不需要机械雷达扫描，所以成本优势很大。该系统采用8 　　

SiPM和2个905 nm激光二极管，脉宽20 ns，峰值功率80 W，接收器光路径采用43 nm带通滤波器，Xilinx FPGA 用于边缘处理全波形采集，AoV 为25° x 3.6°，在户外20 klux的光照条件下，行人检测达45 m，汽车检测达85 m。

Pandion SPAD阵列实现长距扫描LiDAR

400×100 SPAD 阵列具有CMOS 逻辑器件，阵列尺寸14 mm × 3 mm，像素间距38.6 um，采用卷帘快门读出（100通道并行读出），被动淬灭主动复位(PQAR)特性可获得<5 ns恢复时间，击穿电压达3.3 V以上。区别于传统的点云，Pandion SPAD LiDAR已形成了图像。

图2：Pandion探测不同距离不同反射率的目标

图3：Pandion采用光子计数获得的强度图像

图4：Pandion在微光水平下的强度图像

总结

SiPM和SPAD技术是实现LiDAR系统中接收器功能的关键，基于盖革模式雪崩原理，实现紧凑、高增益的传感器，安森美半导体是这些技术的市场领袖，提供完整的LiDAR方案，包括SiPM传感器、SiPM 阵列扫描LiDAR系统、融合SiPM闪光LiDAR和图像的FUSEONE系统以及Pandion SPAD阵列，具有强固、性价比高、符合车规等优势，并积极研发创新，同时为设计人员提供广泛的现场应用支援、相关的应用注释和视频库、产品演示系统、经验证模型的仿真数据等，解决设计挑战和推动创新。