3D成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)的空間感知在工業(yè)、汽車(chē)、航空航天和消費(fèi)電子應(yīng)用等領(lǐng)域不斷引起人們的關(guān)注。例如，自動(dòng)駕駛汽車(chē)所需的自我感知水平要求具有高分辨率和高幀率的3D成像系統(tǒng)。遺憾的是，這些要求相互沖突，迫使工程師不得不進(jìn)行性能限制的權(quán)衡。基于單光子雪崩二極管（SPAD）的激光雷達(dá)（LiDAR）/直接飛行時(shí)間（d-ToF）測(cè)量是主動(dòng)探測(cè)方法中最有前景的技術(shù)之一。

在基于SPAD的d-ToF測(cè)量中，距離是通過(guò)測(cè)量從光源投射并由目標(biāo)反射回探測(cè)器的光脈沖的行進(jìn)時(shí)間來(lái)提取的，探測(cè)器由作為光子-邊緣轉(zhuǎn)換器的SPAD構(gòu)成，與光子時(shí)間戳（timestamping）電路（通常是時(shí)間數(shù)字-轉(zhuǎn)換器（TDC）或時(shí)間-幅度轉(zhuǎn)換器（TAC））相耦合。由于硬件限制，例如探測(cè)器的死區(qū)時(shí)間（dead-time）和光子的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，以及不相關(guān)背景光的存在，大量觀測(cè)值通常會(huì)被累積到直方圖內(nèi)存中以提高信噪比，并通過(guò)信號(hào)處理技術(shù)提取目標(biāo)距離。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近日，意大利布魯諾·凱斯勒基金會(huì)（FBK）和特倫托大學(xué)（University of Trento）的研究人員組成的研究團(tuán)隊(duì)在IEEE Sensors Journal期刊上發(fā)表了題為“Histogram-less LiDAR through SPAD response linearization”的論文，提出了一種從基于SPAD的直接飛行時(shí)間（d-ToF）成像系統(tǒng)中獲取3D信息的新方法，該方法不需要構(gòu)建時(shí)間戳直方圖，并且能夠承受高通量運(yùn)行機(jī)制。所提出的采集方案模擬了SPAD探測(cè)器的行為，不會(huì)因死區(qū)時(shí)間而導(dǎo)致失真，并通過(guò)對(duì)光子時(shí)間戳進(jìn)行簡(jiǎn)單的平均運(yùn)算來(lái)提取ToF信息，確保易于集成到專(zhuān)用傳感器中并可擴(kuò)展至大型陣列。該方法通過(guò)全面的數(shù)學(xué)分析得到驗(yàn)證，其預(yù)測(cè)結(jié)果與此問(wèn)題的數(shù)值蒙特卡羅模型（Monte Carlo model）一致。最后，在具有挑戰(zhàn)性的背景條件下，研究人員展示了真實(shí)d-ToF測(cè)量設(shè)置中預(yù)測(cè)結(jié)果的有效性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了3.8 m距離內(nèi)5%檢測(cè)率的典型堆積（pile-up）極限。

典型的d-ToF圖像采集需要一個(gè)脈沖激光器和一個(gè)具有光子時(shí)間戳功能的時(shí)間分辨單光子圖像傳感器。ToF通常是通過(guò)查找峰值或急劇上升沿（可能屬于反射激光脈沖）的位置從直方圖估算的。時(shí)間戳直方圖包含了正確估算飛行時(shí)間的所有相關(guān)信息，代表了基于SPAD的d-ToF系統(tǒng)領(lǐng)域的黃金標(biāo)準(zhǔn)處理技術(shù)。遺憾的是，直方圖在內(nèi)存、帶寬和功耗方面需要大量資源，因?yàn)樗枰獜膫鞲衅髦凶x取每個(gè)時(shí)間戳，以便由外部控制器（FPGA或微控制器）進(jìn)行處理。即使使用片上（on-chip）直方圖的最新技術(shù)，所需的資源量仍然是相當(dāng)大的。例如，一個(gè)具有100 ps時(shí)間分辨率和8位直方圖深度的10米范圍的128 × 128激光雷達(dá)系統(tǒng)大約需要10 MB內(nèi)存。

如果不存在背景事件，并且忽略激激光脈沖的寬度，研究人員可以在不構(gòu)建直方圖的情況下估算飛行時(shí)間。這可以通過(guò)簡(jiǎn)單地計(jì)算僅包含激光時(shí)間戳的連續(xù)數(shù)據(jù)流的平均值來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了將上述方法擴(kuò)展到存在背景事件的情況，研究人員需要消除它們對(duì)平均值的貢獻(xiàn)。

研究人員分兩步實(shí)現(xiàn)無(wú)直方圖方案。首先，他們提出并評(píng)估了一種算法，基于簡(jiǎn)單的即時(shí)平均操作從一組時(shí)間戳中有效地提取目標(biāo)距離，無(wú)需分配直方圖內(nèi)存。然后，由于所提出的算法基于探測(cè)器響應(yīng)是線(xiàn)性的假設(shè)，因此他們提出了兩種可以在芯片上輕松實(shí)現(xiàn)的采集方案，并模擬沒(méi)有死區(qū)時(shí)間的單光子探測(cè)器的行為，從而對(duì)光子的輸入通量提供所需的線(xiàn)性響應(yīng)。

為了實(shí)現(xiàn)所提出的提取方法，研究人員展示了新穎的模擬線(xiàn)性探測(cè)器行為的SPAD采集方案。更詳細(xì)地說(shuō)，他們展示了兩種從真實(shí)SPAD獲得線(xiàn)性化SPAD響應(yīng)的方法：“采集或丟棄（acquire or discard）”；時(shí)間門(mén)控（Time-gated）。這兩種方法都基于這樣的假設(shè)：基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)過(guò)程是平穩(wěn)且遍歷的。

圖1 采用“acquire or discard”采集方法的SPAD響應(yīng)線(xiàn)性化示例

圖2 采用時(shí)間門(mén)控采集方法的SPAD響應(yīng)線(xiàn)性化示例

研究人員將所提出的無(wú)直方圖采集方法與最先進(jìn)的基于SPAD的激光雷達(dá)傳感器在內(nèi)存要求、可擴(kuò)展性和高背景光通量的耐受性方面進(jìn)行了比較。

圖3 無(wú)直方圖采集方法與基于直方圖的d-ToF傳感器所需的每像素內(nèi)存量的比較

所提出的采集方案已通過(guò)使用現(xiàn)有基于SPAD的單點(diǎn)d-ToF傳感器（其架構(gòu)與Perenzoni等人的架構(gòu)類(lèi)似，此外還提供了片上直方圖功能）的真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量和驗(yàn)證。該傳感器采用Xu等人開(kāi)發(fā)的SPAD技術(shù)，并采用標(biāo)準(zhǔn)150 nm CMOS工藝制造。背景事件是通過(guò)直接指向傳感器的約180 W光纖耦合鹵素照明器產(chǎn)生的，具有約10%反射率的黑色啞光面板被選擇作為目標(biāo)，距離范圍為1 m至3.8 m。圖4顯示了實(shí)驗(yàn)設(shè)置，并在其中標(biāo)明了主要組件。首先，研究人員通過(guò)僅考慮背景光來(lái)重點(diǎn)驗(yàn)證所提出的采集方案的線(xiàn)性化行為。然后，他們考慮將背景和激光結(jié)合在一起，就像在真實(shí)場(chǎng)景中一樣，并使用所提出的無(wú)直方圖采集方案來(lái)計(jì)算ToF。測(cè)量結(jié)果表明，所提出的采集和提取方案無(wú)需時(shí)間戳直方圖就能成功計(jì)算ToF。

圖4 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

圖5 所提出的SPAD線(xiàn)性化方法在強(qiáng)堆積條件下的行為表征

圖6 高背景光通量情況下的測(cè)量結(jié)果

綜上所述，這項(xiàng)研究工作展示了如何在基于SPAD的d-ToF系統(tǒng)中提取飛行時(shí)間信息，而無(wú)需構(gòu)建占用資源和帶寬的時(shí)間戳直方圖。此外，所提出的方法能夠承受高光子通量，并且能夠承受比傳統(tǒng)公認(rèn)的5%的極限高三個(gè)數(shù)量級(jí)的檢測(cè)率。該采集方法基于SPAD響應(yīng)的線(xiàn)性化，適用于使用低資源的CMOS技術(shù)集成，由于它可以輕松地按像素集成，因此可擴(kuò)展到大型陣列。所提出的提取方法已經(jīng)通過(guò)蒙特卡羅數(shù)值模擬進(jìn)行了完全表征。該方法在數(shù)學(xué)上也得到了證明，研究人員通過(guò)重新配置現(xiàn)有的d-ToF傳感器并使用真實(shí)數(shù)據(jù)提取ToF的實(shí)際測(cè)量證明了其有效性。所提出的提取方法可以至少以?xún)煞N方式實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)“acquire or discard”或時(shí)間門(mén)控檢測(cè)方案。雖然“acquire or discard”方案允許使用最少的資源，但它存在積分時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題，尤其是當(dāng)光子通量過(guò)高時(shí)。另一方面，時(shí)間門(mén)控方案可以保證更有效的采集，但要以每像素的可控延遲元件為代價(jià)。混合方案采用了粗略但簡(jiǎn)單的延遲元件來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間門(mén)控采集，并在剩余時(shí)間量上依賴(lài)于“acquire or discard”方案，可以同時(shí)保證緊湊的硬件實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化的采集時(shí)間。研究人員通過(guò)使用極少量的資源（僅需要兩個(gè)計(jì)數(shù)器和一個(gè)累加器）證明了所提出的ToF提取方法的有效性。

論文信息：DOI: 10.1109/JSEN.2023.3342609

審核編輯：劉清