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        SiPM,車載激光雷達的下一塊拼圖

        來源:電子發燒友原創 ? 作者:Leland ? 2022-06-21 09:39 ? 次閱讀
        激光雷達作為一種利用激光測量速度、位置與距離的傳感器,已經廣泛應用于機器人、無人機、L2級別以上汽車等產品中,甚至是作為主要傳感器的存在。要按不同的技術來分類的話,激光雷達可以從掃描方式、發射方式等角度分成多個大類。

        探測器是激光雷達接收端的核心組件之一,在dToF激光雷達中,主要用于接收返回的脈沖激光并將其轉化為電流,隨后用于測距等計算。以所用光電探測器的種類不同,目前主要分為PMT(光電倍增管)、PD(Pin光電二極管)、APD(雪崩光電二極管)、SPAD(單光子雪崩二極管)、SiPM(硅光電倍增管)這幾種類型。

        對于汽車激光雷達而言,APD在技術成熟度上更高,依然占據主流方案,但隨著激光雷達對探測距離要求的提高,這一器件開始看向增益更高的SPAD與SiPM。

        高出主流方案幾個數量級的增益

        要說增益能力的話,SPAD和SiPM絕對是稱霸光電探測器的。毫無增益的PD切不論,單憑APD數十數百的增益,是完全無法與以106為數量級的SPAM與SiPM相提并論的。這也是為何SiPM擁有更高的光子探測效率(PDE)的原因,這一參數和激光功率決定了激光雷達的探測距離,而后者是由發射端的激光器決定的。

        RDM系列SiPM / 安森美

        電子發燒友網就SiPM的優勢采訪了安森美中國汽車市場現場應用經理陳力,他補充道:除了高增益外,SiPM的工作電壓也顯著小于上百伏的APD,同時對電壓波動和溫度變化的敏感度也遠小于APD。因為SiPM是模擬器件,溫度變化會導致工作點遷移,理想輸出值應該只受激光強度影響,但溫度漂移會惡化輸出的線性特性,通常產品需要標定和補償溫漂的影響。

        不同探測器參數對比/ 米蘭理工大學

        除此之外,像素數量也是SiPM的重要指標之一。作為由SAPD陣列并聯組成的光電探測器,SiPM的像素數量標識了該感光芯片可以支持同時掃描的線數。芯片像素越多,高分辨率激光雷達需要集成的感光芯片越少,可以降低系統設計復雜度和成本。

        至于SPAD與SiPM的選擇,陳力也給出了自己的觀點,他表示,一般SPAD有更高的靈敏度,其輸出是二值化的0或1,判斷是否感知到激光;SiPM的靈敏度相對低一些,但其輸出能區分激光強度的大小。二者在產品中體現了靈敏度和輸出動態范圍的不同平衡點。因此在兩者的選擇上,更多是看激光雷達廠商自己的權衡。

        不同波長下的選擇

        在現有的SiPM產品中,我們在詳細參數中看到都是在等于或低于905nm波長的表現,作為目前激光雷達最常選用的波長,以此作為標準確實沒問題,但SiPM在其他波長下,比如另一常用近紅外光波長1550nm下的表現如何呢?這就與SiPM本身的材料有關了,我們從“硅”光電倍增管這個名字就知道這一組件是基于何種材料了。陳力解釋道,SiPM作為硅基傳感器,一般只會感知波長小于1000nm的紅外光。所以常用905nm下的PDE作為衡量標準。

        安森美中國汽車市場現場應用經理陳力

        正因如此,如果廠商打造的是基于1550nm波長下的激光雷達,還是得用其他的非硅基的光電探測器,比如基于InGaAs或是InP的SPAD。但我們在上文中提到了激光功率是決定探測范圍的另一大因素,而1550nm的激光雷達可以做到更高的功率,所以探測距離上占優,不過相對應的成本也會高出來一些。這對比汽車本身的成本可能不算什么,可隨著車載激光雷達數目的增多,整車自動駕駛系統的價格就會高出不少了。

        談到1550nm的光源就不得不提及廣泛使用它的FMCW激光雷達,大家對FMCW激光雷達的前景極為看好,不過目前商用量產的卻少之又少。陳力認為,dToF激光雷達技術更成熟,成本相對較低,但抗干擾能力弱一些。FMCW激光雷達要調制激光,光源控制復雜,需要更強的算法計算能力,整體系統成本高。這兩大技術路線各有特點,都在向更好性價比的方向發展。

        結語

        市面上常見的主要還是做SPAD的探測器廠商較多,目前也有一些廠商在往SiPM上發力,比如安森美、濱松、博通、靈明光子、京邦科技等等,但正如激光雷達本體和其它汽車零部件一樣,做到車規認證才是進入汽車市場的敲門磚,否則主要應用場景還是在無人機、機器人、醫療設備和AR/VR上。而激光器、探測器則需要通過AEC-Q102這一車規認證,目前SiPM探測器中已公開通過該認證的似乎也只有安森美去年發布的ARRAYRDM產品。

        盡管轉向SPAD和SiPM已經是dToF激光雷達探測器未來的大勢所趨,兩者在性能上都高于主流的APD方案,但在總成本上以及生產設計成熟度上,都還有進一步改善的空間。再考慮到本身激光雷達各大技術路線都存在分歧,短時間也很難確定誰是笑到最后的方案。
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          的頭像 星星科技指導員 發表于 06-16 14:19 ? 163次 閱讀
          以太網有助于推動速度和成本的提高

          2022汽車電子創新技術研討會

          發表于 05-31 16:10 ? 1225次 閱讀
          2022汽車電子創新技術研討會

          淺談汽車電子的快速直流充電系統

          對于要求苛刻的消費類電動汽車市場,基于最新寬帶隙半導體的快速直流充電系統正在成為首選方式。 在為電動汽車充電時,有幾種方...
          發表于 05-14 23:19 ? 8483次 閱讀

          有成車聯VehicleCAN總線分析系統

                  畢業后這些年一直從事汽車行業,不斷地和變速箱、發動機轉向機等等電控模塊打交道,做測...
          發表于 04-12 18:00 ? 7441次 閱讀

          TOF高速單線激光雷達相關資料分享

          STM32 Cube MX學習筆記——TOF 高速單線激光雷達 L10_串口中斷通信1. TOF 高速單線激光雷達 L102. STM32 Cube...
          發表于 03-02 07:19 ? 2645次 閱讀

          世界上第一臺攝像機水平分辨率的4d 激光雷達

          下一代 FMCW 激光雷達傳感器與先進的4d 感知軟件檢測即時速度除了位置 Aeva 設計的 Aeries II 是一個4d 激光雷達...
          發表于 02-25 11:37 ? 6155次 閱讀
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          SM15/GSOT15C具有哪些參數?

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          發表于 01-14 07:46 ? 1002次 閱讀

          怎樣去使用激光雷達RPLIDAR A1呢

          激光雷達RPLIDAR A1使用教程一.雷達硬件連接1.A1雷達包含組件RPLIDAR A1開發套裝包含了如下組件:o  ...
          發表于 01-05 07:25 ? 1262次 閱讀

          新能源汽車車載充電機的相關資料分享

          新能源汽車車載充電機詳解  車載充電機是新能源汽車必不可少的核心零部件,其市場規模隨著新能源汽車市場的快速增長而擴大。20...
          發表于 12-31 07:38 ? 2123次 閱讀

          基于深度神經網絡的激光雷達物體識別系統

          【新技術發布】基于深度神經網絡的激光雷達物體識別系統及其嵌入式平臺部署激光雷達可以準確地完成三維空間的測量,具有抗干擾能...
          發表于 12-21 07:59 ? 2011次 閱讀

          如何采用TTL串口通訊方式將數據輸出到外部設備中去?

          激光雷達工作原理是什么? 如何采用TTL串口通訊方式將數據輸出到外部設備中去? ...
          發表于 11-26 07:39 ? 1185次 閱讀