汽車LiDAR系統智慧之眼——探測器該怎么選？

　　據麥姆斯咨詢報道，現有LiDAR(激光雷達)系統已被用于從安全應用到測繪，再到工業自動化等各類創新應用。其中，汽車市場對LiDAR系統的發展和應用尤其關注。LiDAR掃描儀是自動駕駛汽車原型系統的關鍵組件，也是當前交通標志識別、自適應巡航控制(ACC)、盲點檢測、防撞系統和車道偏離警告等系統中的關鍵組件。

　　在上述所有基于LiDAR的系統中，有一種核心組件不可或缺，那便是LiDAR系統的“智慧之眼”——探測器。

　　本文旨在簡析LiDAR系統原始設備制造商(OEM)設計工程師在各種探測器技術中如何做出選擇。

　　背景

　　汽車LiDAR系統必須能夠快速可靠地感知車輛周圍環境，盡可能細節豐富地創建周圍環境和前方道路的3D圖像。安裝在快速行駛車輛上的LiDAR系統，需要能夠“看到”前方至少150 m的距離，并探測高度小至10 cm的障礙物。

　　汽車LiDAR掃描系統示意圖

　　上述要點對LiDAR系統的探測器，提出了極具挑戰的技術要求。

　　因而LiDAR系統需要互補但又獨立的探測器系統，同時能夠確保環境認證和功能安全性。例如，為了適應來自系統其他組件的熱量和環境溫度，設備的額定工作溫度需要達到-40 ~ 125 ℃。并且，為了能夠在各種背景噪音中準確“看到并識別”信號，探測器應具有理想的信噪比。此外，光學探測器還需要做好處理不同強度環境光的準備，因此要求探測器必須具有較寬的動態范圍。

　　除了基本的物理定律，LiDAR系統設計人員還需要考慮經濟性。汽車中的所有組件都需要成本效益。對于實際應用，最佳的性價比是先進技術能否成功應用的關鍵。

　　目前，基本所有采用遠距離LiDAR的現有汽車系統都應用了“掃描型”LiDAR設備，可以在整個場景中移動掃描激光束。當前技術的有效探測范圍一般為30~300 m。幾乎所有的LiDAR系統都使用了905 nm激光器(市場上也有部分企業如Blackmore、Neptec、Aeye和Luminar則正在研究應用1550 nm波長的激光器)，該波長的激光器可以低成本地批量制造，發射非可見光高功率短脈沖光束(例如，75 W峰值持續5 ns)，提供了理想的功率/成本比。這些激光器已被廣泛應用于先進的低成本硅探測器。

　　選擇最合適的探測器技術

　　隨著產業的發展，設計工程師可以為LiDAR系統選擇多種不同的探測器技術，每種技術都有各自的利弊。

　　硅PIN二極管探測器

　　這類硅基探測器具有三種類型(P型/本征/N型)半導體層疊在一起形成的結構。

　　它們具有最佳的動態范圍，可以處理大幅變化的光。例如，即使面對陽光直射，它們也能夠探測遠處物體的反射。而且，它們相對經濟。

　　不過，它們沒有能力提供大多數復雜汽車LiDAR系統所需要的高水平信噪比和帶寬。最后，它們的速度既不快也不夠靈敏。

　　硅光電倍增管(SiPM)和單光子雪崩二極管(SPAD)探測器

　　這些固態硅基探測器的制造商，最初是為專業的小型醫療和科研應用而打造的。近來，它們正積極嘗試在更大的LiDAR市場中尋求應用。

　　雖然這類探測器在功能性方面類似APD(雪崩光電二極管，下文討論)，但它們針對極高的內部放大或增益進行了優化，使它們能夠檢測極微弱的光。并且，它們的速度非常快。最后，它們與常用的CMOS技術兼容，因此可以在同一芯片上與相關電子器件耦合。

　　然而，與APD的靈敏度相比，這類探測器的單光子計數器的靈敏度相當低。因此，他們必須依靠極高的多級倍增。遺憾的是，在倍增過程中，同時也提高了噪聲，這通常會顯著降低探測器的信噪比。此外，它們的放大機制也會遭受到由高溫引起的誤觸發。

　　據推測，這類探測器最關鍵的缺點是它們的高增益是以飽和問題為代價的。

　　首先，LiDAR探測器需要處理從前方物體反射回來的激光。不僅如此，一些LiDAR系統指定要求寬視場的掃描器。這為SPAD或SiPM探測器增加了大量的光線。此外，LiDAR系統在移動環境中經常遇到的某些狀況(例如對方車輛遠光燈、明亮的陽光或其他LiDAR系統)，可能會使探測器面對超過其處理能力的情況而飽和，即使使用光學濾波器也會如此。