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SiPM傳感器提升LiDAR的性能表現

作者:時間:2023-03-06來源:Arrow收藏

LiDAR(激光雷達)是一種測距技術,越來越多地用于移動測距、汽車ADAS(高級駕駛員輔助系統)、手勢識別和3D映射等應用,市場發展潛力極為驚人。本文將為您介紹LiDAR的發展趨勢,以及由安森美(onsemi)所推出的硅光電倍增管()直接飛行時間(dToF)LiDAR平臺開發套件。

本文引用地址:http://www.newmiphone.com/article/202303/444057.htm


LiDAR采用ToF技術來測量距離


LiDAR早先稱為光雷達,因為那時使用的光源均非激光,但自激光器出現以來,激光作為高亮度、低發散的相干光特別適合作光雷達的光源,所以光雷達均使用激光器作光源,名稱也就統稱為激光雷達了。


LiDAR是一種集激光,全球定位系統(GPS)和慣性導航系統(INS)三種技術于一身的系統,用于獲得點云數據并生成精確的數字化三維模型。這三種技術的結合,可以在一致絕對測量點位的情況下獲取周圍的三維實景。


LiDAR系統主要由激光器、相控陣、微機電系統、掃描儀和光學組件、光電探測器和接收器電子器件、定位和導航系統、等幾個主要組件構成。依照不同的設計理念,可以分類成基于方向、基于掃描機制、基于平臺等不同類型。


LiDAR采用飛行時間(Time of flight, ToF)技術來測量距離,量測物質、粒子或是波(聲波或電磁波)在介質中行進需要的時間,其可以用直接的方式偵測行進物體,稱為直接飛行時間(dToF),也可以用間接的散射光進行量測,稱為間接飛行時間(iToF),通過計算發射信號與其回波之間的時間延遲來計算距離。iToF適用于更短距離的深度傳感應用,并在室內環境和沒有受到陽光直射的環境中使用,dToF則適用于短程和長程的深度傳感應用。 


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具有LiDAR所需的性能


是一種傳感器,是基于在普通硅襯底上實現的單光子雪崩二極管(SPAD)的固態單光子敏感器件,可應對低至單光子水平的低光信號的感測、計時和量化挑戰。傳統上屬于光電倍增管(PMT)領域的SiPM現在提供了一種極具吸引力的替代方案,它結合了PMT的低光檢測能力,同時提供固態傳感器的所有優勢。SiPM具有低電壓操作、對磁場不敏感、機械堅固性和出色的響應均勻性等特點。由于這些特性,SiPM在醫學成像、危險和威脅檢測、生物光子學、高能物理和LiDAR領域迅速獲得了經過驗證的性能。


使用SiPM作為光電傳感器與APD、PIN二極管和PMT等替代傳感器技術相比具有許多優勢,特別是對于移動和大批量產品。SiPM是一種單光敏、高性能、固態傳感器,它由帶有集成焠火電阻器的緊密排列的SPAD傳感器組成,從而形成具有高增益(~1x106)、高檢測效率(> 50%)和快速定時(次納秒的上升時間)的產品特性。


與傳統的PMT相比,光電子增益通常更具確定性,從而導致極低至可忽略的超額噪聲系數。因此,固定數量的檢測到的光子的SNR(信噪比)可以高于PMT。相反,PMT的隨機增益通常需要更多檢測到的光子才能獲得相同的SNR。如果大量的SPAD排列在一起,動態范圍可以比PMT大幾個數量級,從而在不飽和的情況下,實現更快的成像速率或更高的SNR。此外,硅電子器件的大規模生產,使得SiPM的制造成本相對于真空管而言將更為低廉。 


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高增益和高帶寬的SiPM傳感器


在物聯網(IoT)中,越來越多的測距和傳感應用希望從低功耗、高性能SiPM技術中獲益。特別是使用對人眼安全的近紅外(NIR)波長的LiDAR應用,例如汽車ADAS、3D深度圖、移動、消費和工業測距。


為了利用SiPM傳感器的高增益和高帶寬,可以使用dToF以最低的功率預算提供精確的測距。安森美SiPM的高靈敏度允許使用低功率激光器來提高眼睛安全性。安森美已經創建了一個軟件模型,允許在各種輸入條件下準確確定系統性能,以及一個包含SiPM傳感器的硬件測距平臺。利用SiPM傳感器的高增益和高帶寬,dToF可用于提供高達23米的精確測距,而不會影響電池壽命。


安森美推出的SiPM傳感器可以提供從250 nm到1100 nm的單光子檢測,支持低電壓可易于實現系統要求,擁有低功耗特性,能以較低的工作電壓和簡單的讀出電路允許低功耗設計,具有高帶寬和快速響應時間,可最小化范圍測量時間,并能夠利用低激光功率dToF測距技術的優勢,擁有低噪聲和高增益特性,可實現良好的SNR,采用標準CMOS制造工藝,具備低成本、高度一致和可擴展的生產,并采用小尺寸SMT封裝,可提供僅1 mm的傳感器。 


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SiPM dToF LiDAR平臺開發套件


由安森美推出的SiPM dToF LiDAR平臺開發套件,展示了一個完整的測距應用,并幫助開發人員熟悉底層技術和所有必要的構建模塊。此外,該套件有助于評估系統的核心組件,例如SiPM傳感器。通過硬件上提供的測試點和GUI上的各種功能和可配置參數,開發人員將找到一種快速且用戶友好的方式來評估套件,并加快應用開發的速度。


這個高度集成的SECO-RANGEFINDER-GEVK開發工具套件,是一套采用SiPM dToF的LiDAR平臺,該開發板提供即插即用功能,它由SiPM組成,它是一種單光敏、高性能、固態傳感器,是一個單點測距儀應用的完整開發套件,適用于需要成本優化的工業和商業應用。


這個開發工具套件是基于安森美最新的NIR SiPM(RB系列),并集成了所有必要的系統組件,包含了所有基本子系統,用于涉及激光和參考電路(Tx)、接收電路(Rx)、電源管理系統、以及核心FPGA和UART通信的應用。這個套件包括一個多功能GUI,可以對測距性能進行全面評估,并可以調整系統變量,例如SiPM-RB光電倍增管的脈沖數或偏置電壓。


SECO-RANGEFINDER-GEVK開發工具套件可用于單點應用的dToF操作,具有大于0.11米至23米的可探測范圍,運行方便快捷,具有專用的用戶友好的GUI,可進行開箱即用操作,系統變量可調節,并可優化系統成本,內置時間-數字轉換器(TDC),基于FPGA(ice3),約為85ps倉寬度,可執行自動TDC校準(FPGA參考時鐘),支持不同電源選項,包括USB(5V)與PMOD連接器(3.3V),并具有優化的系統成本。


該套件采用的激光和光學器件包括RB系列SiPM傳感器、905nm激光二極管發射器、650-1050 nm鍍膜的BK7平凸透鏡,可最大化測量距離,并具有905±5nm帶通光學濾波器(FWHM為30±5 nm)用于接收電路,可在所選頻譜中達到最高靈敏度,并符合BS EN 60825?1:2014在正常操作條件和單一故障條件下對1類激光產品的功率要求,且通過符合激光安全標準IEC/EN 60825-1:2014和21 CFR 1040.10和1040.11(第56號激光通告的偏差除外)與FDA標準認證。


此開發平臺還帶有藍牙?開發套件(BDK?GEVK)和其他各種傳感器和執行器的可擴展系統,并提供多種軟件,包括適用于各種工業和物聯網應用的軟件可調設置、基于FPGA的TDC,支持讀出、通信接口,以及兩個穩壓偏置電源的控制。該開發平臺可應用于室內導航和測距(探測距離可達23m)、碰撞檢測、3D映射等應用。


結語


隨著LiDAR相關技術的逐漸成熟,其成本也逐漸降低到市場可接受的程度,結合自動駕駛技術的發展,有更多的汽車也開始大量采用LiDAR系統來偵測距離、避免碰撞、創建3D映射,另外在消費性產品市場中,掃地機器人、無人機等產品,也是LiDAR的重要應用領域,未來的市場潛力極為可觀,值得有興趣的廠家加快腳步投入相關產品開發,搶占市場商機。



關鍵詞: Arrow SiPM 傳感器

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