可以通過傳感技術獲取有關我們周圍環(huán)境的信息，以造福于我們的日常生活：要么提高任務效率、我們的安全，要么純粹用于娛樂目的。LiDAR就是這樣一種傳感技術，它使用激光來測量與物體的距離，并可用于創(chuàng)建周圍環(huán)境的 3D 模型。LiDAR系統(tǒng)捕獲的圖像中的每個像素都將具有與其關聯(lián)的深度。這允許更好地識別對象并消除可能存在于僅由圖像傳感器獲得的 2D 圖像中的任何歧義。

LiDAR如何構建 3D 點云？LiDAR通常使用直接飛行時間 (dToF) 技術來測量與物體的距離。發(fā)出一個短激光脈沖，其中一些光被場景中的物體反射回來并被傳感器檢測到，例如ArrayRDM-0112A20-QFN，以準確記錄激光脈沖往返所需的時間（見圖1）。使用已知的光速，距離可以從這個 dToF 測量中計算出來。這給出了視場內(nèi)的單個距離測量值。

為了構建周圍環(huán)境的完整圖片，需要在場景中的許多不同位置重復此點測量。這可以通過在整個場景中旋轉和掃描的固定傳感器和激光器來實現(xiàn)，或者通過使用光束控制技術，如 MEMS（微機電系統(tǒng)）鏡子。

圖 1. dToF 技術說明。

一般來說，LiDAR系統(tǒng)依賴于以下關鍵組件：照明源、傳感器、光學器件、光束控制、信號處理和電源管理（圖 2）。對于性能，最關鍵的元素是照明源和傳感器。照明通常受眼睛安全考慮的限制，因此對系統(tǒng)性能的最大影響通常取決于傳感器。

圖 2.包括傳感器元件的 dToFLiDAR系統(tǒng)的解剖結構。

在許多情況下，系統(tǒng)需要在有限的信號返回下運行，這些信號來自遠處或低反射率的物體，其中信號可能只包含少量光子。因此，傳感器應盡可能靈敏。激光雷達的靈敏度傳感器是不同因素的組合。首先，檢測效率，即入射光子產(chǎn)生信號的概率，是最重要的。然后是對低入射通量或最小可檢測信號的敏感性。某些傳感器（例如 PIN 二極管）沒有內(nèi)部增益，因此檢測到的單個光子不會超過固有傳感器噪聲。雪崩光電二極管 (APD) 具有一定的內(nèi)部增益 (~100x)，但仍然由少量光子組成的入射信號不會記錄在噪聲之上，這需要它在一定時間內(nèi)對返回的信號進行積分。在蓋革模式下運行的傳感器，例如SiPM（硅光電倍增管）和 SPAD（單光子雪崩二極管）具有一百萬 (1,000,000x) 數(shù)量級的內(nèi)部增益，因此即使是單個光子也能產(chǎn)生可以在高于內(nèi)部傳感器噪聲的情況下可靠檢測的信號。這允許人們設置一個低閾值來檢測最微弱的返回信號。

雖然的SiPM和SPAD的克服了許多噪音問題，由于其高增益，在實際的激光雷達應用中有噪音的另一個來源是要考慮需求-環(huán)境太陽背景或干脆把陽光。我們經(jīng)常試圖在受到來自太陽的不需要的光的轟擊時檢測非常微弱的LiDAR返回信號。因此，問題變成了最大化信號（返回的激光）而忽略或最小化噪聲（陽光）的問題之一。一種方法是利用傳感器的單光子靈敏度并尋找時間相關的光子。

這種多脈沖 dToF 測量方法是通過多次重復該過程（多個激光脈沖導致每個 dToF 測量）來實現(xiàn)的。不是為每次測量計算距離，而是將每個 ToF 值添加到直方圖或分布圖中。結果是一個類似于圖 3 所示的圖。背景計數(shù)在時間上是不相關的——也就是說，它們相對于脈沖發(fā)射時間隨機到達。這些計數(shù)可以忽略，因為它們是由陽光引起的噪聲。峰值代表相關的計數(shù)及時 – 大量計數(shù)都以相同的時間值到達，表明來自目標的信號。該峰值可以轉換為特定幀的距離，并且該過程可以重新開始。即使每幀每像素有幾十個激光周期，也可以實現(xiàn) 30 fps 的幀速率。

圖 3. 示例LiDARToF 直方圖

雖然SiPM或 SPAD 傳感器可以將其單光子靈敏度與時間相關技術結合使用來查看微弱的返回信號，但 PIN 二極管或 APD 傳感器會由于在太陽背景中丟失而直接錯過這些計數(shù)。因此，這些其他類型的傳感器根本無法測得那么遠或那么有效。

深度信息如何在現(xiàn)實世界中使用，激光雷達如何提供幫助？迄今為止，消費者移動應用程序必須僅通過圖像傳感器技術啟用許多功能，例如使用結構光。幾年來，飛行時間 (ToF) 技術已在某種程度上融入手機，以增加深度感應并啟用快速自動對焦和“散景”人像效果等攝影功能。最近，dToF 成像 LiDAR 傳感器已集成到最新的消費類移動設備中，，與以前的技術相比，它提供了更好的深度信息，無疑將大大增加使用這些數(shù)據(jù)的移動應用程序的數(shù)量。3D 信息可用于啟用 3D 地圖應用程序和改進的增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實 (AR/VR) 體驗。

在安全是關鍵的汽車和工業(yè)應用中，圖像傳感器單獨用于物體識別以及自主決策和導航的局限性突出了通過融合不同傳感模式對附加信息的需求。LiDAR可與其他傳感技術（如攝像頭、超聲波和雷達）結合使用，以提供額外的冗余，提高負責導航或與環(huán)境交互的決策算法的置信度。這些技術中的每一種都具有獨特的特性，可提供不同級別的信息，在不同情況下各有利弊。

圖 4. 不同傳感器技術的比較

為了實現(xiàn)汽車的高性能LiDAR系統(tǒng)，SiPM等高靈敏度傳感器是最有效的接收器。安森美半導體的SiPM提供無與倫比的性能和操作參數(shù)組合：高光子檢測效率、低噪聲和暗計數(shù)率以及低操作電壓、溫度敏感性和工藝均勻性。

所述ArrayRDM-0112A20-QFN，一個12像素線陣的SiPM，地址市場對激光雷達。它在 905 nm 處具有行業(yè)領先的 18% 光子檢測效率，這是具有成本效益的廣泛市場LiDAR系統(tǒng)的典型波長。

編輯：hfy