激光雷達的工作原理是向目標發射探測信號（激光束），然后將接收到的從目標反射回來的信號（目標回波）與發射信號進行比較，作適當處理后，就可獲得目標的有關信息，如目標距離、方位、高度、速度、姿態、甚至形狀等參數，從而對飛機等目標進行探測、跟蹤和識別。

激光雷達誕生背景

早期，人類用繪畫記錄各種場景，隨著相機的發明，人們開始用相片記錄美好事物，早期的相機是基于膠片沖印，直到柯達公司在1975年開發出世界上第一款數字照相機。 照相機等可以實現2D圖像獲取的設備儀器極大地滿足了人們對圖像記錄的追求，但是實際的生活中，人們感興趣的場景也包含三維（Three Dimension, 3D）信息，如距離、高度等信息。

下圖給出了一個2D/3D成像的示意圖。可以看出2D強度圖并不能給出物體表面的彎曲程度和立體信息。因此可以實現3D成像的方案也是人們一直研究的方向。在3D成像應用中，激光雷達（LiDAR, Light Detection And Ranging）成為目前最普遍也是最有前景的技術方案。

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激光雷達技術（Light detection and ranging, LiDAR）起源于微波雷達技術（Radio detection andranging, RADAR），是一種利用激光作為發射光源的主動探測及測距系統。得益于激光的較短波長和出色的方向性、單色性等特點，激光雷達可以實現高精度、高距離分辨率、高角度分辨率的測量及成像。

激光雷達芯片技術發展

早期的激光雷達是基于分立元件的。分立元件的最大問題在于集成度較低，因此由分立器件構建的激光雷達系統通常具有體積大、可靠性低、價格昂貴等缺點。提高激光雷達的集成度，首先就要從光電轉換器件考慮。

隨著集成電路制造工藝的發展，功能多樣的后端處理電路也可以通過半導體器件實現。這使得將光電器件與后端處理電路集成在單顆芯片上成為可能。根據工作模式的不同，光電二極管被分為傳統光電二極管和雪崩光電二極管（Avalanche Photodiode, APD）。其中APD 具有較高的增益，因此更適合于LiDAR 應用（通常需要相對較遠的探測距離）。APD又可以被分為線性APD和蓋革模式APD兩種。其中蓋格模式 APD 可以實現單光子水平檢測，又被稱為單光子雪崩二極管（SinglePhoton Avalanche Diode, SPAD）。

理論上來說線性APD和SPAD都可以實現全集成雷達，但是至今沒有出現可大規模集成的 APD陣列。這是因為陣列化APD的一致性很難保證。當前市場上的商用APD都是基于分立器件，因此無法實現單片全集成。

下圖給出了 Hamamatsu 公司的商用化APD系列器件。獨立的封裝使得其無法實現大規模集成，因此無法用于全集成激光雷達。

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相應的 SPAD 器件的特性與光電倍增管類似，具有較高的增益，可以達到單光子探測水平。其輸出信號是數字化的信號，可以實現優異的一致性。

光電倍增管作為一種高性能的光電轉換器件在早些年被廣泛的應用于激光雷達應用中。光電倍增管是一種由玻璃封裝的真空裝置，通常由一個陰極和若干個二次發射極和一個陽級構成。當一定光子照射到陰極時，由于光電效應，陰極會發射光生電子。這些電子會被加速發射向一些被稱為二次發射極的附加電極并產生新的電子。這種級聯效應會使的每個入射的光子都會產生10E5到 10E7個電子。這種放大效應取決于二次發射極的個數和加速電壓的大小。光電倍增管具有噪聲小，動態范圍大以及增益高等優點。但是過大的體積和過高的工作電壓使得其不適應于全集成激光雷達方案。

在學術界，早在 2005 年，來自瑞士洛桑理工大學的 Cristiano Niclass 等人首次在標準0.8mm CMOS工藝上實現了大規模SPAD像素陣列，其像素規模達到了32′32。下圖顯示了該 SPAD 芯片照片和像素照片，圖中（a）為芯片照片（b）為像素照片。從其像素照片可以看出像素中包含了由5個CMOS 晶體管構成的簡單的處理電路。雖然該芯片的內部電路處理電路只能完成淬火等簡單的功能，仍然需要將信號輸出到芯片外，并由片外的時間數字轉化器完成測距等更加復雜的信號處理，但是該項工作驗證了全集成的可行性。

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在 2008 年， Niclass 等人又發表了首個基于 SPAD 的全集成 LiDAR 傳感器芯片。該芯片采用的是0.35mm 高壓 CMOS 工藝。下圖為該 LiDAR 傳感器的芯片照片和成像效果。從圖（a）中可以看出該傳感器芯片集成了32路并行，精度為97ps的時間數字轉換器（Time to Digital Converter, TDC）和速度高達6.4Gb/s的數據接口。圖（b）為視場角 30 度情況下的一個距傳感器 1m 的模特的 3D 成像效果。由于其極高的空間分辨率和時間分辨率，模特的五官特征都可以清晰地分辨出來。

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近些年來隨著 CMOS 工藝節點的進步，SPAD 激光雷達傳感器的空間分辨率（像素數目）不斷提高，支持的模式和功能不斷增加。這是當前基于 SPAD的激光雷達的兩個主要研究目標，即實現更高的像素數目，支持更多功能以及適應于更多應用場合。

2019 年12月來自日本佳能的 Kazuhiro Morimoto 和來自瑞士洛桑理工的科研工作者合作采用 0.18mm CIS 工藝實現了世界上首款像素數目達到 1M 的 SPAD 激光雷達。這是目前為止，世界上像素數目最多的 SPAD 激光雷達。該像素采用了極為簡單的像素內電路。如圖所示，該激光雷達由兩種像素構成，兩種像素內部的晶體管數目分別為 7 個（pixel A）和 5.75 個（pixel B）。Pixel B 中的處理電路被相鄰兩個像素共用。兩種像素的尺寸僅為 9.4um，因此即使像素數目巨大，整體芯片尺寸僅為 11mm*11mm。

2019 年來自英國愛丁堡大學的 Sam.W.Hutchings 等人發布了一款基于 3D 堆疊的 SPAD 激光雷達。該團隊采用 90nm CMOS 工藝設計優化了 SPAD 器件，采用先進 的 40nm 工藝實現后端處理電路，集成了更多的元件（每個像素內包含了1個多事件 TDC 和16個14 位計數器）。SPAD 器件芯片和處理電路芯片通過混合鍵合的封裝技術（hybrid bonding）連接在一起。由于具有豐富的處理電路資源，該芯片支持單光子計數、高動態范圍計數、多事件直方圖統計以及首個光子計時等多種工作模式，可以應用于 2D 成像、直接飛行時間（Direct Time of Flight, dTOF），間接飛行時間（Indirect Time of Flight, iTOF）以及熒光壽命檢測等多種應用場合。

通過上述發展趨勢，可以看出基于SPAD的雷達傳感器的像素數目也符合摩爾定律。

激光雷達在無人駕駛中的應用

在自動駕駛的核心技術中，環境感知模塊是最重要的技術之一，它可以為自動駕駛技術提供包括人、車輛、障礙物等環境信息，是自動駕駛技術的“眼睛”，環境信息的準確與自動駕駛的安全性直接相關。在自動駕駛技術中，用于環境感知模塊的方案主要包括：攝像頭、毫米波雷達、激光雷達等。其中，攝像頭可以提供較為豐富的物體紋理以及顏色等信息，并且相關技術成熟，成本較低，是目前應用較為廣泛的方式。但是攝像頭存在一定缺陷，由于采用的是圖像分析的方式，其對于距離的感知能力較弱，成像效果受到光照條件的影響；除此之外，攝像頭還存在著容易被“誤導”、 “欺騙”等問題。

毫米波雷達的原理與激光雷達相似，其優點在于抗干擾能力強，能夠在惡劣的環境下工作，并且可以實現對目標距離和速度的測量。缺點則在于分辨率較低，難以區分靠近或重疊的目標，并且對于靜止的物體識別能力有限。

激光雷達作為主動探測方式，可以實現全時段工作，不受環境光影響，并且激光雷達測距精度更高，能夠為汽車提供豐富、準確、可靠的三維環境數據，結合調頻連續波等測距原理還可以實現對物體的實時測速。

下表為攝像頭、毫米波雷達、激光雷達三條技術路線的優缺點對比。

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激光雷達掃描方式分類

激光雷達的光束掃描方式，按照是否包含機械部件可分為：機械式掃描、混合固態式掃描及全固態式掃描。

目前，商用激光雷達普遍使用機械式掃描方式，即利用旋轉的機械部件（如反射鏡、棱鏡等）控制光束掃描方向，實現較大范圍的視場角，導致機械式激光雷達存在體積大、質量重、功耗高、可靠性差、成本高等諸多缺陷。

混合固態式激光雷達包括微機電系統（MicroelectromechanicalSystems, MEMS）式及棱鏡式。MEMS 激光雷達是利用尺寸較小的機電器件代替較大的機械掃描器件帶動內置反射鏡的傾斜角度變化從而實現對入射光束指向角度的改變，實現激光光束對場景的掃描。MEMS激光雷達中仍然有移動部件，因此被分類為混合固態式激光雷達，常見的 MEMS 式激光雷達的驅動方式包括靜電、電磁、壓電和電熱驅動等。MEMS式激光雷達一定程度上克服了傳統機械式激光雷達存在的缺點，具有體積小、功耗低、易于集成等優勢，但仍然存在掃描角度和掃描精度比較受限的問題。

相較于機械式激光雷達與混合固態式激光雷達，全固態式激光雷達徹底拋棄了機械部件，解決了體積大、穩定性差等問題，因此被認為是激光雷達發展的必然趨勢。全固態激光雷達主要分為閃光（Flash）式和光學相控陣式，Flash式激光雷達的原理類似于閃光式相機，在短時間內向待測空間內發射大面積的激光信號，并由靈敏度較高的探測器接收待測目標反射的回波信號，進而實現對待測場景的成像。

如圖（d），Flash式激光雷達將發出的激光信號散布在整個視場范圍內，這意味著其探測視場越大，等量的功率所需覆蓋的面積越大，激光的平均功率密度越低，探測距離越短，探測精度越低。

另一種全固態激光雷達。OPA(相控陣)式激光雷達是典型的“芯片式”激光雷達，具有體積小、功耗低、可靠性高等諸多優勢。以波導型光學相控陣為例，其原理是通過控制不同波導之間的相位差改變衍射光干涉增強的方向，進而實現光束的轉向和掃描。相較于 Flash 式激光雷達，激光更集中于部分區域甚至一個“點”上，平均功率密度更高，探測距離更遠，探測精度更高。同時由于其采用互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS）技術制作，便于與激光器等部件進行片上集成，是實現全固態、低成本、高可靠性激光雷達的最佳技術路線。

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下表中為常見激光雷達光束掃描方式對比，OPA 相較于其他掃描方式在掃描精度、體積、成本、可靠性等方面都有較大優勢，因此 OPA 成為了激光雷達領域的研究熱點，被譽為最有發展前景的激光雷達技術。

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基于機械旋轉掃描的激光雷達存在可靠性等問題，即在長期運轉過程中機械的精度和可靠性都得不到保證。因此，未來的車載激光雷達也會向非機械旋轉的激光雷達方案發展。



審核編輯：劉清