LiDAR技术日趋成熟满足高精度测距需求
品慧电子讯随着LiDAR（光检测和测距，激光雷达）技术日趋成熟，产品的价格已相对更为合理，目前已经广泛地应用于导航、测距、碰撞检测、3D映射相关领域。本文将为您介绍由安森美（onsemi）所推出SiPM直接飞行时间（dToF）LiDAR的产品特性与应用。
传统深度传感技术精度较低距离较短
当今市场中许多应用都有对深度传感进行精确测量的要求，包括工业、消费和汽车等相关产品。想要进行深度传感有许多不同的方法，包括使用标准CMOS图像传感器以立体三角测量、相位检测像素和结构光方式进行测量。
立体三角测量方式是通过对来自两个不同摄像头的接收光进行三角测量以获得距离探测，通过比较摄像头拍摄的图像之间物体的位置差异，便可以计算出摄像头到物体之间的距离。这种方法的优点是采用被动方法与标准图像传感器，缺点便是得需要2个摄像头，最大探测距离则取决于摄像头之间的距离，并高度依赖光照条件，且需要计算时的成本，适用于低成本深度摄像头、室内短距离应用。
若想要使用单个摄像头来获取场景中点的距离，便须采用相位检测像素技术，图像传感器可以在像素层级通过在不同位置使用具有遮光罩的像素，来计算接收光的相位差，或使用同一微透镜下的多个光电二极管来计算深度，这种方式优点为采用被动方法与标准图像传感器，缺点为深度分辨率差，高度依赖光照条件，且需要计算时的成本，且测量的距离短，适用于智能手机的自动对焦。
另一种结构光方式则是采用带有传统CMOS图像传感器的摄像头，分析接收到的红外光图案，并使用失真来计算场景中的深度，失真的图案可用于获得物体的3D形状，其优点是适合短距离测量，缺点是采用主动方法，对环境光敏感，且深度误差会随距离增加，不适合远距离，主要用于人脸识别。
LiDAR技术提供高精度与较长距离
本文重点介绍的LiDAR技术由于具有高深度和角度分辨率，以及使用红外光发射器和接收器的主动方法，而能够在所有光照条件下工作，因此可以提供优于上述替代方法的深度传感。LiDAR广泛部署在许多不同的市场中，适用于各种应用和用例，包括汽车、工业、机器人以及消费类的增强和虚拟现实（AR/VR）应用。
通常，LiDAR采用直接飞行时间（dToF）测量技术，它计算发射信号与其回波之间的时间延迟，另一种方法则是间接飞行时间（iToF），两种方法都可以使用脉冲或连续调制。
iToF利用图像传感器像素的调制，将许多光脉冲集成在有限数量的仓中，通常为2个，返回脉冲的时序则是通过测量不同仓中的电荷来确定的。iToF适用于更短距离的深度传感应用，并在室内环境和传感器没有受到阳光直射的环境中使用。
dToF则适用于短程和长程深度传感应用，它提供更快的采集速率和测量多个回波的能力，允许检测返回路径中的多个对象，该方法可以通过单次测量或每次读数累积多次测量来实现。
高灵敏度传感器对LiDAR系统的性能至关重要，dToF LiDAR系统中使用的典型传感器包括PIN二极管和雪崩光电二极管（APD）这类的线性模式检测器，这些传统探测器正在迅速被高性能传感器所取代，包括硅光电倍增管（SiPM）、SiPM阵列和单光子雪崩光电二极管（SPAD）阵列，这些传感器采用CMOS工艺制造，可提供严格的部件间一致性、低电压操作和非常高的增益特性，这对于大批量低成本和高性能LiDAR大规模生产是相当理想的。
SiPM dToF LiDAR以低功率提供准确测距
在物联网（IoT）、汽车、工业应用中，有越来越多的测距和传感应用，希望从低功耗、高性能SiPM技术中受益。特别是使用人眼安全的近红外（NIR）波长的LiDAR应用，例如汽车ADAS（高级驾驶员辅助系统）、3D深度图、移动、消费和工业测距。
为了利用SiPM传感器的高增益和高带宽，可以使用dToF技术以最低的功率预算提供准确的测距。当光子返回后，LiDAR系统信号链可以使用模数转换器（ADC）或时间数字转换器（TDC）将检测到的激光回波数字化。基于ADC的系统允许完全脉冲数字化，这提供了关于目标的附加信息，例如可以通过脉冲形状推断的反射率。然而，基于TDC的方法具有成本和功率优势，因为鉴别电路实现起来相对简单，并且这种方法与窄脉冲宽度激光器兼容。这意味着每个脉冲可以使用更高的峰值功率，而不会影响眼睛安全限制。
成本优化的工业和商业单点测距开发套件
由安森美推出的SECO-RANGEFINDER-GEVK，是一款SiPM dToF LiDAR平台，这是一款用于成本优化的工业和商业应用单点测距的完整开发套件。该套件基于安森美最新的NIR SiPM（RB系列），并集成了应用所需的所有基本子系统，包括激光器和参考电路（Tx）、接收电路（Rx）、电源管理系统和核心FPGA和UART通信。
SiPM是一种单光敏、高性能、固态传感器，它由紧密排列的SPAD传感器和集成降压电阻的总和阵列组成，从而形成具有高增益（~1x106）、高检测效率（> 50%）和快速定时（次纳秒的上升时间）。该套件已通过FDA认证，并包括一个多功能GUI，可对测距性能进行全面评估，并调整系统变量，例如脉冲缓冲数或SiPM-RB光电倍增管的偏置电压。
SECO-RANGEFINDER-GEVK支持大于0.11 m至23 m可检测范围，具有开箱即用的操作，用户友好的GUI和可调节的系统变量，可优化系统成本，内置TDC、基于FPGA（ice3），约为85ps的仓宽度，可进行自动TDC校准（FPGA参考时钟），支持不同的电源供应选择，包括USB（5V）、PMOD连接器（3.3V），采用RB系列SiPM检测器，这是一款905nm激光二极管发射器，具有650-1050nm镀膜BK7平凸透镜，可最大化距离测量，用于RX的则是905±5nm带通滤光片（FWHM: 30±5nm），可在选定光谱中获得最高的灵敏度，符合激光安全标准IEC/EN 60825-1:2014、21 CFR 1040.10和1040.11，但根据Laser Notice No. 56的偏差除外，安森美SiPM的高灵敏度允许使用低功率激光器来提高眼睛的安全性。
SECO-RANGEFINDER-GEVK提供适用于各种工业和物联网应用的软件可调设置，可基于FPGA的TDC、读出、通信接口和两个稳压偏置电源的控制。安森美创建了一个软件模型，可以准确确定各种输入条件下的系统性能，以及一个包含SiPM传感器的硬件测距平台，可帮助开发人员熟悉底层技术和所有必要的构建块。
此外，该套件有助于评估系统的核心组件，例如SiPM传感器。通过硬件上提供的测试点以及GUI上的各种功能和可配置参数，开发人员将可快速且用户友好的方式来评估套件，并加快应用的速度。此外，该套件还支持带有蓝牙?开发套件（BDK-GEVK）和其他各种传感器、执行器的可扩展系统，可应用于室内导航和测距、碰撞检测、3D映射等领域。
结语
SiPM dToF LiDAR具备高增益和高带宽，能够以最低的功率预算提供准确的测距，可以满足工业和商业应用的测距需求。安森美的SiPM dToF LiDAR开发平台，提供完整的软硬件组合，能够加快产品的开发速度，值得有意投入测距应用产品的厂商深入了解与采用。
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