據(jù)麥姆斯咨詢報道，現(xiàn)有LiDAR（激光雷達）系統(tǒng)已被用于從安全應(yīng)用到測繪，再到工業(yè)自動化等各類創(chuàng)新應(yīng)用。其中，汽車市場對LiDAR系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用尤其關(guān)注。LiDAR掃描儀是自動駕駛汽車原型系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，也是當(dāng)前交通標(biāo)志識別、自適應(yīng)巡航控制（ACC）、盲點檢測、防撞系統(tǒng)和車道偏離警告等系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件。
汽車LiDAR掃描系統(tǒng)示意圖
各種探測器技術(shù)對比
雪崩光電二極管（APD）探測器
在上述所有基于LiDAR的系統(tǒng)中，有一種核心組件不可或缺，那便是LiDAR系統(tǒng)的“智慧之眼”——探測器。
本文旨在簡析LiDAR系統(tǒng)原始設(shè)備制造商（OEM）設(shè)計工程師在各種探測器技術(shù)中如何做出選擇。
背景
汽車LiDAR系統(tǒng)必須能夠快速可靠地感知車輛周圍環(huán)境，盡可能細(xì)節(jié)豐富地創(chuàng)建周圍環(huán)境和前方道路的3D圖像。安裝在快速行駛車輛上的LiDAR系統(tǒng)，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(tǒng)示意圖
上述要點對LiDAR系統(tǒng)的探測器，提出了極具挑戰(zhàn)的技術(shù)要求。
因而LiDAR系統(tǒng)需要互補但又獨立的探測器系統(tǒng)，同時能夠確保環(huán)境認(rèn)證和功能安全性。例如，為了適應(yīng)來自系統(tǒng)其他組件的熱量和環(huán)境溫度，設(shè)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(zhǔn)確“看到并識別”信號，探測器應(yīng)具有理想的信噪比。此外，光學(xué)探測器還需要做好處理不同強度環(huán)境光的準(zhǔn)備，因此要求探測器必須具有較寬的動態(tài)范圍。
除了基本的物理定律，LiDAR系統(tǒng)設(shè)計人員還需要考慮經(jīng)濟性。汽車中的所有組件都需要成本效益。對于實際應(yīng)用，最佳的性價比是先進技術(shù)能否成功應(yīng)用的關(guān)鍵。
目前，基本所有采用遠(yuǎn)距離LiDAR的現(xiàn)有汽車系統(tǒng)都應(yīng)用了“掃描型”LiDAR設(shè)備，可以在整個場景中移動掃描激光束。當(dāng)前技術(shù)的有效探測范圍一般為30～300 m。幾乎所有的LiDAR系統(tǒng)都使用了905 nm激光器（市場上也有部分企業(yè)如Blackmore、Neptec、Aeye和Luminar則正在研究應(yīng)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(fā)射非可見光高功率短脈沖光束（例如，75 W峰值持續(xù)5 ns），提供了理想的功率／成本比。這些激光器已被廣泛應(yīng)用于先進的低成本硅探測器。
選擇最合適的探測器技術(shù)
隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，設(shè)計工程師可以為LiDAR系統(tǒng)選擇多種不同的探測器技術(shù)，每種技術(shù)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(dǎo)體層疊在一起形成的結(jié)構(gòu)。
它們具有最佳的動態(tài)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(yuǎn)處物體的反射。而且，它們相對經(jīng)濟。
不過，它們沒有能力提供大多數(shù)復(fù)雜汽車LiDAR系統(tǒng)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(tài)硅基探測器的制造商，最初是為專業(yè)的小型醫(yī)療和科研應(yīng)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(yīng)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(nèi)部放大或增益進行了優(yōu)化，使它們能夠檢測極微弱的光。并且，它們的速度非?？?。最后，它們與常用的CMOS技術(shù)兼容，因此可以在同一芯片上與相關(guān)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(shù)器的靈敏度相當(dāng)?shù)?。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(fā)。
據(jù)推測，這類探測器最關(guān)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(tǒng)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(tǒng)在移動環(huán)境中經(jīng)常遇到的某些狀況（例如對方車輛遠(yuǎn)光燈、明亮的陽光或其他LiDAR系統(tǒng)），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(xué)濾波器也會如此。
這類探測器通過不斷的開發(fā)克服缺陷，已常用于各類不同的LiDAR應(yīng)用。然而，到目前為止，其飽和問題和上述其他挑戰(zhàn)，使它們無法成為遠(yuǎn)距離掃描LiDAR的首選探測器。
各種探測器技術(shù)對比
InGaAs（銦鎵砷）光電二極管探測器
這類探測器通常以小尺寸用于數(shù)據(jù)通信和電信應(yīng)用，但除了專門的航空航天或軍事應(yīng)用之外，最近才開始應(yīng)用于LiDAR系統(tǒng)。該技術(shù)不同于傳統(tǒng)的InGaAs材料硅基結(jié)構(gòu)。
由于該類探測器激光系統(tǒng)常常專門針對更高波長的光譜（1550 nm，本文中討論的其它探測器為905 nm）而設(shè)計，因此該技術(shù)靈敏度更高，并可實現(xiàn)更高的功率。因此，與大多數(shù)其它探測器相比，InGaAs光電二極管能夠開發(fā)探測距離更遠(yuǎn)的汽車LiDAR系統(tǒng)。
然而，即使面對幾乎可以忽略地高于正常環(huán)境的溫度，InGaAs探測器的性能也會顯著降低。因此，即使在溫和氣候下，這類探測器也可能需要專門的外部冷卻系統(tǒng)。
此外，與大量使用的硅基板相比，其基礎(chǔ)材料成本更高。而且，用于LiDAR系統(tǒng)的大尺寸InGaAs探測器，其制造將比硅設(shè)計復(fù)雜得多。到目前為止，還無法實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)量產(chǎn)。
最后，由于這項技術(shù)對于汽車LiDAR領(lǐng)域來說是一項新技術(shù)，當(dāng)試圖圍繞InGaAs探測器構(gòu)建創(chuàng)新的LiDAR系統(tǒng)時，OEM必須為花費更大的精力、時間和成本而做好準(zhǔn)備。
雪崩光電二極管（APD）探測器
這類硅基光電探測器主要用于工業(yè)和軍事應(yīng)用。它們的運行原理是通過允許進入的光子促發(fā)電荷雪崩，然后通過其內(nèi)部放大機制倍增增益。通過吸收優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，它們能夠?qū)⒓す馄鹘?0％的905 nm反射光轉(zhuǎn)換成光電流，帶來了大輻提高的靈敏度。
除了突出的靈敏度，APD還具有最小的飽和度、理想的信噪比和高速優(yōu)勢。它們也是市場上成本最低的探測器技術(shù)之一。
APD的一個潛在缺點是它們使用了與普通CMOS制造不兼容的專用雙極技術(shù)。因此，僅有少數(shù)幾家供應(yīng)商可以供貨。而且，它們無法與相關(guān)的CMOS器件在同一芯片上集成。
不過，探測器和電子器件的封裝，可以由經(jīng)驗豐富的供應(yīng)商在芯片上彼此靠近的完成。兩者都可以在沒有任何影響的情況下獲得增強，以獲得最高性能。例如，專門設(shè)計的跨阻抗放大器（TIA）具有定制的增益和帶寬，可用于APD探測器陣列的補充（將光電流轉(zhuǎn)換為電壓，并調(diào)節(jié)進入系統(tǒng)的信號以提高增益）。這可以改善器件性能，尤其是在低光照條件下。
APD采用標(biāo)準(zhǔn)的、高生產(chǎn)率的商業(yè)化生產(chǎn)工藝制造，并且已經(jīng)在廣泛的系統(tǒng)中證明了它們的性能。
重要的是，當(dāng)以適當(dāng)?shù)姆绞竭\行時，它們結(jié)合了有目共睹的性能和極具吸引力的成本優(yōu)勢。目前，APD是汽車遠(yuǎn)距離LiDAR系統(tǒng)的首選探測器，是幾款現(xiàn)有最復(fù)雜自動駕駛系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。
雪崩光電二極管（APD）探測器
選擇最優(yōu)的探測器供應(yīng)商
在確定了合適的探測器技術(shù)后，LiDAR系統(tǒng)設(shè)計商在選擇合適的探測器供應(yīng)商時，仍然面臨不少困難。
非常有必要謹(jǐn)慎地評估候選供應(yīng)商，他們是否有潛力、技術(shù)和能力使其系統(tǒng)和探測器適應(yīng)OEM的個性化需求和市場需求？他們是否會與OEM團隊密切合作進行設(shè)計、生產(chǎn)和調(diào)度，以確保贏得上市時間？
強調(diào)經(jīng)驗
如果探測器供應(yīng)商需要花時間加速其開發(fā)、生產(chǎn)、汽車產(chǎn)品認(rèn)證和其他流程，那么LiDAR系統(tǒng)OEM將在加速產(chǎn)品上市方面落敗。
探測器供應(yīng)商需要通過相關(guān)工作獲得經(jīng)驗。一家好的候選供應(yīng)商，應(yīng)該已經(jīng)將他們的探測器／傳感器技術(shù)用于車輛應(yīng)用。這包括量身定制的標(biāo)準(zhǔn)APD設(shè)計；量身定制的標(biāo)準(zhǔn)封裝、芯片以及模組工程和制造；以及頂級電子器件。
一家完美的供應(yīng)商需要有確定的、良好的市場供應(yīng)記錄，已經(jīng)有相關(guān)產(chǎn)品被領(lǐng)先的LiDAR系統(tǒng)OEM采用，例如汽車級APD和相關(guān)電子器件。
評估集成制造能力
LiDAR設(shè)計人員必須優(yōu)先考慮具有合適技術(shù)優(yōu)勢的供應(yīng)商，例如最高的靈敏度和最低的噪音。然而，他們還需要尋覓那些對其領(lǐng)域具有整體控制能力的探測器制造商。
將整個制造過程作為一個連續(xù)的整體實施非常重要（從芯片加工到探測器系統(tǒng)的預(yù)制）。如果供應(yīng)商能夠自己在內(nèi)部制造所有重要元件，則可以確保所有OEM產(chǎn)品的長期供貨，用于支持售后服務(wù)市場和批量生產(chǎn)。
考核定制化能力
要想作為一家成功的LiDAR系統(tǒng)制造商脫穎而出，實現(xiàn)最佳的性價比至關(guān)重要，這有助于在這個過度擁擠的市場形成差異化優(yōu)勢。現(xiàn)成市售的探測器可能就無法滿足要求了。因而，相關(guān)組件通常必須是量身定制的，以便完全適合所選擇的系統(tǒng)設(shè)計。
系統(tǒng)制造商必須找到一家響應(yīng)能力和機動性很強的探測器供應(yīng)商。在許多情況下，探測器供應(yīng)商必須與OEM設(shè)計人員合作，為探測器和相關(guān)電子器件進行量身定制，以便與其它系統(tǒng)盡可能的實現(xiàn)一體化，從而獲得最佳的系統(tǒng)性能。
例如：設(shè)計團隊必須建立適合特定透鏡的探測器幾何形狀、優(yōu)化尺寸，以及適應(yīng)每種獨特光學(xué)設(shè)計的配置。此外，還必須確定理想的信道數(shù)（并行接收的信號數(shù)量），以提高LiDAR掃描儀的空間分辨率。而且，還應(yīng)該為電子器件和探測器之間的最短接口，量身定制封裝方案。
最后，一家優(yōu)秀的供應(yīng)商必須能夠提供具有復(fù)雜技術(shù)優(yōu)勢的探測器，例如多像素同質(zhì)性。在實際使用中，非同質(zhì)性和／或不同來源的光電二極管對環(huán)境溫度的反應(yīng)不同，從而大大降低了LiDAR掃描儀的性能。另一方面，即使在峰值距離處，多像素同質(zhì)性也可以提供最嚴(yán)格的信號信息分布。
審核車規(guī)級認(rèn)證
優(yōu)秀的探測器供應(yīng)商應(yīng)該早就意識到“上路”所需要滿足的法規(guī)要求。他們應(yīng)該具備最新的穩(wěn)健性驗證、汽車認(rèn)證、特性規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。
例如ISO／TS16949汽車認(rèn)證的生產(chǎn)和測試，以及AEC－Q 102和104汽車認(rèn)證的APD陣列封裝。供應(yīng)商應(yīng)能夠?qū)⑦@些及其他適合的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于其所有組件和制造，遵守法規(guī)并協(xié)助系統(tǒng)OEM規(guī)避責(zé)任。
增加監(jiān)管是不可避免的。供應(yīng)商應(yīng)通過文檔記錄的最佳規(guī)范，證明其法規(guī)遵守情況，例如福特汽車公司在其Q計劃中開創(chuàng)的嚴(yán)格的自我認(rèn)證。
確保未來的持續(xù)支持
供應(yīng)商還必須展示其良好的質(zhì)量跟蹤記錄和產(chǎn)品交付能力，以及從初始開發(fā)到維護服務(wù)的有力支持。
在LiDAR系統(tǒng)設(shè)計之初就應(yīng)考慮探測器的設(shè)計。探測器供應(yīng)商越早參與，OEM的整個設(shè)計／制造過程就越容易、進展越快，所得到的LiDAR系統(tǒng)的性能就越好。
最后，供應(yīng)商必須始終密切關(guān)注這個快速變化的領(lǐng)域的未來發(fā)展。杰出的探測器制造商應(yīng)該擁有預(yù)期法規(guī)監(jiān)管、業(yè)務(wù)和技術(shù)進步的創(chuàng)新路線圖，以為LiDAR系統(tǒng)制造商在這個快速變化的市場中指引方向。
結(jié)語
LiDAR系統(tǒng)的核心之一是探測器。系統(tǒng)設(shè)計商需要從眾多競爭探測器技術(shù)中做出合適的選擇。許多設(shè)計工程人員相信，APD探測器最好地結(jié)合了成本和性能優(yōu)勢。LiDAR系統(tǒng)制造商在探測器供應(yīng)商選擇方面，也應(yīng)該全面的考量各種因素，例如定制化能力、經(jīng)驗以及汽車級應(yīng)用認(rèn)證等。
LiDAR系統(tǒng)和其它移動技術(shù)正在不斷發(fā)展，選擇正確的探測器技術(shù)顯然是最重要的第一步。
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