【導讀】本白皮書旨在協助開發基於矽光電倍增管(SiPM)的激光雷達(LiDAR，光探測和測距)係統。下麵的章節包含了以下信息：直接飛行時間(ToF)測距儀的激光器、計時和光學參數的設計和實現，以及詳細分析將SiPM整合到此類係統中時必須考慮的關鍵方麵。

前言

LiDAR是一種測距技術，正越來越多地用於移動測距
、汽車ADAS(先進駕駛輔助係統)

、手勢識別和3D繪圖等應用。與雪崩光電二極管(APD)、PIN二極管和PMT等替代性傳感器技術相比，采用矽光電倍增管(SiPM)作為光敏傳感器有許多優勢
，特別是對於移動和大批量產品而言。

安森美(onsemi)的SiPM提供：

●    從250納米到1100納米的單光子探測

●    低電壓——易於實現係統要求

●    低功耗——較低的工作電壓和簡單的讀出電子裝置實現低功耗設計

●    高帶寬和快速響應時間——最小化測距時間

●    能夠利用低激光功耗直接ToF測距技術的優勢

●    低噪聲和高增益——可實現好的信噪比(SNR)

●    標準CMOS製造工藝——成本低，高度一致性
，可擴展生產

●    小尺寸SMT封裝——可提供1毫米的傳感器

與其他傳感器相比，遷移到SiPM傳感器技術會帶來一係列不同的限製。本白皮書旨在幫助用戶充分利用該技術的優勢，並盡快實現采用SiPM傳感器的工作設置。

為此
，安森美創建了三個工具來幫助用戶；一個用於仿真的MATLAB測距模型
，一個測距演示器硬件裝置
，以及本文文件。

●    我們創建了一個直接ToF係統的詳細MATLAB模型
，以便於仿真基於SiPM的測距應用。該模型可用於支持測距係統的設計
，並可進行修改以仿真各種應用和實施。

●    一個基於SiPM的LiDAR演示係統已建成。對這個“第一代”係統進行了測量
，並用於驗證MATLAB模型的仿真結果。

●    本文文件旨在幫助新用戶開發基於SiPM的直接ToF測距係統。它討論了各種係統和環境因素對所產生的信噪比的影響。

直接ToF測距係統的設計

一個直接的ToF測距係統所需的基本組件
，如圖1所示

●    一個帶有準直光學係統的脈波激光器

●    一個帶有檢測光學組件的傳感器

●    計時和數據處理電子裝置

圖1. 直接ToF測距技術概覽

本文檔聚焦激光器
、傳感器
、讀出器和應用環境的係統設計。本白皮書中的單點、直接ToF基線工作可以擴展到更複雜的掃描和成像係統。在直接ToF技術中，一個周期性的激光脈波被指向目標，通常采用對眼睛安全的紅外區功率和波長。

目標擴散並反射激光光子，一些光子被反射回傳感器。傳感器將檢測到的激光光子(和一些由於噪聲而檢測到的光子)轉換為電訊號
，然後由計時電子裝置進行時間標記。這個飛行時間t，可用來計算到目標的距離D，計算公式D=ct/2


，其中c=光速，t=飛行時間。傳感器必須將返回的激光光子從噪聲(環境光)中區分出來。每個激光脈波至少捕獲一個時間標記。這稱為單次測量。

結(jie)合(he)許(xu)多(duo)單(dan)次(ci)測(ce)量(liang)的(de)數(shu)據(ju)以(yi)產(chan)生(sheng)一(yi)個(ge)測(ce)量(liang)值(zhi)，信(xin)噪(zao)比(bi)可(ke)以(yi)得(de)到(dao)極(ji)大(da)的(de)改(gai)善(shan)
，從(cong)中(zhong)可(ke)提(ti)取(qu)出(chu)檢(jian)測(ce)到(dao)的(de)激(ji)光(guang)脈(mai)波(bo)計(ji)時(shi)，具(ju)有(you)高(gao)精(jing)度(du)。有(you)幾(ji)種(zhong)不(bu)同(tong)的(de)讀(du)出(chu)技(ji)術(shu)可(ke)從(cong)檢(jian)測(ce)到(dao)的(de)激(ji)光(guang)光(guang)子(zi)脈(mai)波(bo)中(zhong)獲(huo)取(qu)計(ji)時(shi)信(xin)息(xi)
，總(zong)結(jie)如(ru)下(xia)：

測距讀出技術

●    LED(前緣識別)——涉及對多光子訊號的上升沿的檢測。計時的準確性是由辨別返回的光訊號的上升沿的能力決定的。這種技術不受激光脈波寬度的影響。

●    全波形數字化——全波形被數字化
，可以過采樣以提高精度。對於短激光脈波或高重複率源來說
，可能難以實現。

●    TCSPC(時間相關的單光子計數)——提(ti)供(gong)最(zui)高(gao)的(de)精(jing)度(du)和(he)最(zui)大(da)的(de)環(huan)境(jing)光(guang)抑(yi)製(zhi)。這(zhe)種(zhong)技(ji)術(shu)要(yao)求(qiu)每(mei)個(ge)激(ji)光(guang)脈(mai)波(bo)檢(jian)測(ce)不(bu)到(dao)一(yi)個(ge)訊(xun)號(hao)光(guang)子(zi)。這(zhe)種(zhong)技(ji)術(shu)可(ke)以(yi)不(bu)受(shou)環(huan)境(jing)光(guang)的(de)影(ying)響(xiang)，但(dan)需(xu)要(yao)短(duan)脈(mai)波(bo)時(shi)間(jian)、高重複率和快速計時電子裝置，以實現快速和準確的測量。

●    SPSD(單光子同步檢測)——TCSPC的一種形式
，提供高環境光抑製。必須設計電子裝置來處理範圍模糊的問題。

建模一個直接ToF測距係統

我們創建了一個直接ToF係統的MATLAB模型。該模型的框圖如圖2所示。該模型給定一組與表1中所示相似的係統參數，目的是預測係統的整體性能。第一步包括分析計算傳感器的光照度(包括環境光和激光)，給gei定ding一yi個ge選xuan定ding的de光guang學xue場chang景jing，可ke以yi通tong過guo改gai變bian相xiang應ying的de係xi統tong參can數shu來lai改gai變bian。通tong過guo比bi較jiao計ji算suan出chu的de光guang照zhao度du與yu傳chuan感gan器qi的de飽bao和he極ji限xian，可ke以yi驗yan證zheng所suo選xuan擇ze的de設she置zhi是shi否fou適shi合he測ce距ju。在zai特te定ding設she置zhi不bu適shi合he測ce距ju的de情qing況kuang下xia，可ke以yi通tong過guo改gai變bian係xi統tong參can數shu來lai評ping估gu設she置zhi本ben身shen的de改gai進jin。

該模型的第二部分包括一個Monte Carlo 仿真器，其中傳感器的隨機特性，主要是光子探測效率(PDE)和時間抖動
，被再現。這一步允許通過仿真獲得傳感器的現實輸出。與分析部分相比，這一步考慮到了計時信息

，如采集時間
、激光的重複率和激光脈波寬度。Monte Carlo 仿真的結果被傳遞給一個讀出模型，通常是一個鑒別器
，然後是一個TDC(時間到數字轉換器)，它產生一個時間戳的柱狀圖，從中可以提取一個範圍測量。

圖2. 光照度的計算結合Monte Carlo仿真器，從而可以再現完整的係統輸出。

表1.  SiPM直接ToF測距係統中的變量

測距直方圖

meicifachujiguangmaiboshi，caijixitongdouhuijinxingyicidanciceliang。qujueyuxuduoyinsu，baokuojiguanggonglvheyumubiaodejuli，meigemaibojiancedaodejiguangguangzishuliangkenenghendi。lixiangqingkuangxia
，meigejiancedaodeguangzidouhuiyongshijianbiaoji。danmeigedanciceliangdeshijianbiaojishuliangkenengshoudaoTDCsiqushijiandexianzhi。tongchangqingkuangxia，xuduodanciceliangdeshijian，gebaohanyigehuoduogeshijianbiaoji
，jieheqilaikechanshengyizhen。zaiyizhenguochengzhonghuodedewanzhengjishishujukeyiyizhifangtudexingshihuizhichulai，rutu3所示。

係統測距性能受到直方圖數據質量的限製
，而直方圖又受到係統參數的影響。從第7頁“改變係統變量的影響”一(yi)節(jie)中(zhong)詳(xiang)述(shu)的(de)係(xi)統(tong)參(can)數(shu)分(fen)析(xi)中(zhong)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)
，有(you)一(yi)些(xie)限(xian)製(zhi)因(yin)素(su)和(he)一(yi)些(xie)可(ke)以(yi)作(zuo)出(chu)的(de)取(qu)舍(she)。下(xia)麵(mian)使(shi)用(yong)的(de)測(ce)距(ju)直(zhi)方(fang)圖(tu)也(ye)提(ti)供(gong)了(le)一(yi)個(ge)直(zhi)觀(guan)的(de)表(biao)示(shi)
，這(zhe)對(dui)於(yu)描(miao)述(shu)各(ge)種(zhong)參(can)數(shu)對(dui)所(suo)采(cai)集(ji)數(shu)據(ju)的(de)影(ying)響(xiang)是(shi)很(hen)有(you)用(yong)的(de)。基(ji)本(ben)直(zhi)方(fang)圖(tu)訊(xun)號(hao)和(he)計(ji)時(shi)參(can)數(shu)說(shuo)明(ming)如(ru)下(xia)。

直方圖的信噪比
，SNR_H，是訊號峰值與最大噪聲峰值之比。SNR_H = 訊號峰值/噪聲峰值。

在模型中，以下術語適用於測量時間：f = 激光頻率。

激光重複率限製了可以測量的最大ToF

，無失真，這定義了每次單次測量的時間。

單次測量時間
，tss = 1/f。

幀大小是指每張直方圖的單次測量數。較大的幀大小可以提高SNR_H
，產生更好質量的直方圖。測距速度由幀率定義：幀率=每秒測距次數 = 1/ t_acq

圖3. 顯示訊號、噪聲和飛行時間的仿真直方圖實例

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