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LiDAR系统设计选择最合适的探测器技术《资讯》

发布时间:2020-08-17 12:18:26 阅读: 来源:融雪剂厂家

2018-07-19 11:16:52来源:电子产品世界

据麦姆斯咨询报道,现有LiDAR(激光雷达)系统已被用于从安全应用到测绘,再到工业自动化等各类创新应用。其中,汽车市场对LiDAR系统的发展和应用尤其关注。LiDAR扫描仪是自动驾驶汽车原型系统的关键组件,也是当前交通标志识别、自适应巡航控制(ACC)、盲点检测、防撞系统和车道偏离警告等系统中的关键组件。

在上述所有基于LiDAR的系统中,有一种核心组件不可或缺,那便是LiDAR系统的“智慧之眼”——探测器。

本文旨在简析LiDAR系统原始设备制造商(OEM)设计工程师在各种探测器技术中如何做出选择。

探测器在汽车LiDAR系统中的应用

汽车LiDAR系统必须能够快速可靠地感知车辆周围环境,尽可能细节丰富地创建周围环境和前方道路的3D图像。安装在快速行驶车辆上的LiDAR系统,需要能够“看到”前方至少150 m的距离,并探测高度小至10 cm的障碍物。

上述要点对LiDAR系统的探测器,提出了极具挑战的技术要求。因而LiDAR系统需要互补但又独立的探测器系统,同时能够确保环境认证和功能安全性。例如,为了适应来自系统其他组件的热量和环境温度,设备的额定工作温度需要达到-40~125℃。

并且,为了能够在各种背景噪音中准确“看到并识别”信号,探测器应具有理想的信噪比。此外,光学探测器还需要做好处理不同强度环境光的准备,因此要求探测器必须具有较宽的动态范围。

除了基本的物理定律,LiDAR系统设计人员还需要考虑经济性。汽车中的所有组件都需要成本效益。对于实际应用,最佳的性价比是先进技术能否成功应用的关键。

目前,基本所有采用远距离LiDAR的现有汽车系统都应用了“扫描型”LiDAR设备,可以在整个场景中移动扫描激光束。当前技术的有效探测范围一般为30~300 m。

几乎所有的LiDAR系统都使用了905 nm激光器(市场上也有部分企业如Blackmore、Neptec、Aeye和Luminar则正在研究应用1550 nm波长的激光器),该波长的激光器可以低成本地批量制造,发射非可见光高功率短脉冲光束(例如,75 W峰值持续5 ns),提供了理想的功率/成本比。这些激光器已被广泛应用于先进的低成本硅探测器。

选择最合适的探测器技术

随着产业的发展,设计工程师可以为LiDAR系统选择多种不同的探测器技术,每种技术都有各自的利弊。

硅PIN二极管探测器

这类硅基探测器具有三种类型(P型/本征/N型)半导体层叠在一起形成的结构。它们具有最佳的动态范围,可以处理大幅变化的光。例如,即使面对阳光直射,它们也能够探测远处物体的反射。

它们相对经济。不过,它们没有能力提供大多数复杂汽车LiDAR系统所需要的高水平信噪比和带宽。最后,它们的速度既不快也不够灵敏。

硅光电倍增管(SiPM)和单光子雪崩二极管(SPAD)探测器

这些固态硅基探测器的制造商,最初是为专业的小型医疗和科研应用而打造的。近来,它们正积极尝试在更大的LiDAR市场中寻求应用。

虽然这类探测器在功能性方面类似APD(雪崩光电二极管,下文讨论),但它们针对极高的内部放大或增益进行了优化,使它们能够检测极微弱的光。并且,它们的速度非常快。最后,它们与常用的CMOS技术兼容,因此可以在同一芯片上与相关电子器件耦合。

然而,与APD的灵敏度相比,这类探测器的单光子计数器的灵敏度相当低。因此,他们必须依靠极高的多级倍增。遗憾的是,在倍增过程中,同时也提高了噪声,这通常会显着降低探测器的信噪比。

此外,它们的放大机制也会遭受到由高温引起的误触发。据推测,这类探测器最关键的缺点是它们的高增益是以饱和问题为代价的。

首先,LiDAR探测器需要处理从前方物体反射回来的激光。不仅如此,一些LiDAR系统指定要求宽视场的扫描器。

这为SPAD或SiPM探测器增加了大量的光线。此外,LiDAR系统在移动环境中经常遇到的某些状况(例如对方车辆远光灯、明亮的阳光或其他LiDAR系统),可能会使探测器面对超过其处理能力的情况而饱和,即使使用光学滤波器也会如此。

这类探测器通过不断的开发克服缺陷,已常用于各类不同的LiDAR应用。然而,到目前为止,其饱和问题和上述其他挑战,使它们无法成为远距离扫描LiDAR的首选探测器。

InGaAs(铟镓砷)光电二极管探测器

这类探测器通常以小尺寸用于数据通信和电信应用,但除了专门的航空航天或军事应用之外,最近才开始应用于LiDAR系统。该技术不同于传统的InGaAs材料硅基结构。

由于该类探测器激光系统常常专门针对更高波长的光谱(1550 nm,本文中讨论的其它探测器为905 nm)而设计,因此该技术灵敏度更高,并可实现更高的功率。因此,与大多数其它探测器相比,InGaAs光电二极管能够开发探测距离更远的汽车LiDAR系统。

然而,即使面对几乎可以忽略地高于正常环境的温度,InGaAs探测器的性能也会显着降低。因此,即使在温和气候下,这类探测器也可能需要专门的外部冷却系统。

此外,与大量使用的硅基板相比,其基础材料成本更高。而且,用于LiDAR系统的大尺寸InGaAs探测器,其制造将比硅设计复杂得多。到目前为止,还无法实现大规模商业量产。

最后,由于这项技术对于汽车LiDAR领域来说是一项新技术,当试图围绕InGaAs探测器构建创新的LiDAR系统时,OEM必须为花费更大的精力、时间和成本而做好准备。

雪崩光电二极管(APD)探测器

这类硅基光电探测器主要用于工业和军事应用。它们的运行原理是通过允许进入的光子促发电荷雪崩,然后通过其内部放大机制倍增增益。通过吸收优化的结构,它们能够将激光器近80%的905 nm反射光转换成光电流,带来了大辐提高的灵敏度。

除了突出的灵敏度,APD还具有最小的饱和度、理想的信噪比和高速优势。它们也是市场上成本最低的探测器技术之一。

APD的一个潜在缺点是它们使用了与普通CMOS制造不兼容的专用双极技术。因此,仅有少数几家供应商可以供货。而且,它们无法与相关的CMOS器件在同一芯片上集成。

不过,探测器和电子器件的封装,可以由经验丰富的供应商在芯片上彼此靠近的完成。两者都可以在没有任何影响的情况下获得增强,以获得最高性能。例如,专门设计的跨阻抗放大器(TIA)具有定制的增益和带宽,可用于APD探测器阵列的补充(将光电流转换为电压,并调节进入系统的信号以提高增益)。这可以改善器件性能,尤其是在低光照条件下。

APD采用标准的、高生产率的商业化生产工艺制造,并且已经在广泛的系统中证明了它们的性能。

重要的是,当以适当的方式运行时,它们结合了有目共睹的性能和极具吸引力的成本优势。目前,APD是汽车远距离LiDAR系统的首选探测器,是几款现有最复杂自动驾驶系统的关键组件。

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