為何需要深度信息？

 

因為真實場景是3D圖像，而攝像頭呈現的是2D圖(tu)像(xiang)
，如(ru)果(guo)是(shi)簡(jian)單(dan)的(de)實(shi)現(xian)讓(rang)人(ren)看(kan)場(chang)景(jing)的(de)功(gong)能(neng)
，其(qi)應(ying)用(yong)是(shi)足(zu)夠(gou)的(de)

，但(dan)對(dui)機(ji)器(qi)視(shi)覺(jiao)係(xi)統(tong)來(lai)說(shuo)具(ju)有(you)挑(tiao)戰(zhan)性(xing)。深(shen)度(du)數(shu)據(ju)消(xiao)除(chu)了(le)圖(tu)像(xiang)的(de)模(mo)糊(hu)性(xing)，有(you)助(zhu)於(yu)區(qu)分(fen)場(chang)景(jing)中(zhong)的(de)實(shi)體(ti)並(bing)賦(fu)予(yu)其(qi)含(han)義(yi)。激(ji)光(guang)雷(lei)達(da)通(tong)過(guo)發(fa)射(she)激(ji)光(guang)，計(ji)算(suan)反(fan)射(she)回(hui)來(lai)的(de)時(shi)間(jian)，可(ke)測(ce)算(suan)出(chu)被(bei)測(ce)物(wu)體(ti)的(de)距(ju)離(li)，在(zai)整(zheng)個(ge)視(shi)場(chang)內(nei)通(tong)過(guo)多(duo)次(ci)重(zhong)複(fu)測(ce)量(liang)，降(jiang)低(di)環(huan)境(jing)光(guang)的(de)幹(gan)擾(rao)獲(huo)得(de)點(dian)雲(yun)數(shu)據(ju)並(bing)可(ke)建(jian)立(li)強(qiang)度(du)圖(tu)像(xiang)，從(cong)而(er)構(gou)建(jian)出(chu)一(yi)個(ge)立(li)體(ti)空(kong)間(jian)的(de)3D模型。由於激光雷達可以準確測距，從而降低視覺方案中的算法分析難度。

 

激光雷達功能模塊

 

激光雷達係統由以下6個主要硬件功能塊組成：發射


、接收
、波束控製、光學器件、讀出電路、電源和係統。安森美半導體提供光電探測器
，還提供激光係統中符合車規的驅動芯片、電源芯片、放大器和讀出芯片等整體係統硬件解決方案。

 

圖1：激光雷達功能模塊

 

單光子雪崩光電二級管(SPAD)和SiPM技術的優勢

 

市場上的光電探測器類型有PIN二級管
、線性雪崩光電二極管(APD)、SPAD和SiPM。相比之下，SPAD和SiPM基於蓋革模式
，具有高靈敏度、高增益、供電電壓低、一致性極好等優勢。SiPM是由多個SPAD 微單元組成，具有很高的動態範圍
，可以用作光子計數器。SiPM能在明亮的陽光條件下進行長距離測距時提供最佳的信噪比性能。其他優勢包括較低的電源偏置和較低的溫度變化敏感性，采用大批量CMOS工藝生產
，可實現最低的探測器成本。

 

圖2：激光雷達的光電探測器類型

 

SiPM用於汽車激光雷達

 

在汽車領域
，激光雷達與圖像傳感器
、超(chao)聲(sheng)波(bo)雷(lei)達(da)等(deng)感(gan)知(zhi)模(mo)式(shi)互(hu)補(bu)和(he)提(ti)供(gong)冗(rong)餘(yu)，將(jiang)不(bu)同(tong)傳(chuan)感(gan)器(qi)對(dui)某(mou)一(yi)目(mu)標(biao)或(huo)環(huan)境(jing)特(te)征(zheng)描(miao)述(shu)的(de)信(xin)息(xi)互(hu)相(xiang)比(bi)對(dui)，綜(zong)合(he)成(cheng)統(tong)一(yi)的(de)特(te)征(zheng)表(biao)達(da)，提(ti)高(gao)感(gan)知(zhi)的(de)準(zhun)確(que)性(xing)和(he)精(jing)度(du)，從(cong)而(er)提(ti)升(sheng)先(xian)進(jin)駕(jia)駛(shi)輔(fu)助(zhu)係(xi)統(tong)(ADAS)和自動駕駛的安全性。

 

汽車應用要求能進行遠距離
、廣視角的深度感知，並要求深度感知能應對低反射率物體
、環境光噪聲等挑戰。成本是個主要的驅動因素，影響到對技術的選擇。深度感知技術、波長以及傳感器技術是影響技術決策的關鍵因素。

 

目前，深度感知方式主要有直接飛行時間法 (dToF，測量時間差)、間接飛行時間法 (iToF
，測量相位差) 和調頻連續波法 (FMCW
，測量拍頻)。其中，iToF僅適用於短距離測距（<10米）

，隻能檢測到最強的回波。FMCW適用於短距離到長距離，但需要更多的計算能力，獲得點雲的時間更長
，幀率更低，可以使用便宜的PIN二極管探測器，但由於使用具有良好偏振控製和高規格輸出的可調諧激光器，因此總體成本較高。相比之下，dToF優勢明顯，適用於短距到長距 (0.1m – 300m)，可檢測到多個回波
，整個範圍內精度高，兼容高功率、短脈衝
，保持眼睛安全性。

 

波長選擇方麵，主要有近紅外波段如850 nm、905 nm
、940 nm和短波紅外波段如1350nm, 1550nm。從cong可ke製zhi造zao性xing和he元yuan器qi件jian成cheng本ben來lai看kan
，近jin紅hong外wai波bo段duan都dou較jiao短duan波bo紅hong外wai波bo段duan更geng有you優you勢shi
，且qie近jin紅hong外wai波bo段duan在zai雨yu中zhong性xing能neng影ying響xiang不bu大da，而er短duan波bo紅hong外wai波bo段duan在zai雨yu中zhong吸xi水shui會hui降jiang低di性xing能neng，更geng高gao的de激ji光guang功gong率lv還hai可ke能neng導dao致zhi散san熱re問wen題ti。

 

安森美半導體重點提供矽基單光子探測器芯片激光雷達 (LiDAR)方案
，主攻近紅外處波段，即大力倡導基於SiPM探測器+ 近紅外(NIR)波長 + dToF LiDAR方案。公司在固態LiDAR領域的多個設計導入獲驗證
，批量付運給LiDAR設計導入的產品包括已量產的R係列SiPM、1x16/1x12 SiPM 陣列和工程樣品3D ToF SPAD 陣列，並提供評估板、參考設計和套件以幫助設計人員快速將產品落地。

 

而且，安森美半導體從一開始就考慮汽車認證去設計光電探測器及其封裝，並采用CMOS工藝
，推出全球首款符合車規AEC-Q102的SiPM光電探測器ArrayRDM-0112A20-QFN，為激光雷達量產化鋪平道路。ArrayRDM-0112A20-QFN是單片1×12 SiPM像素陣列
，基於安森美半導體領先市場的RDM工藝

，可實現對近紅外光的高靈敏度
，從而在905納米(nm)處達到領先業界的18.5％的光子探測效率 (PDE) 。 SiPM的高內部增益使其靈敏度可達到單光子水平，該功能與高PDE結合使用，可以檢測最微弱的返回信號。因此，即使是低反射目標
，也能探測到更遠的距離(達300米以上)。更遠的距離使車輛有更多時間來應對意外障礙，從而提升道路安全性。

 

圖3：用於激光雷達的車規級 SiPM陣列ArrayRDM-0112A20-QFN

 

SiPM用於工業激光雷達

 

激光雷達在工業領域的應用也非常廣泛，如料位監控、存儲檢索、堆高控製、材料厚度測量
、占用檢測、物體檢測和分類、空倉檢測、人數計算/檢測、安保等。安森美半導體推出的SiPM dToF LiDAR 參考平台 SECO-RANGEFINDER-GEVK是具成本優勢的單點dToF激光雷達係統，適用於室內導航、測距、碰撞檢測和3D製圖，測距範圍0.11 m 到 23 m
，可作為評估套件或完整的參考設計
，開箱即用，具有易於使用的圖形用戶界麵(GUI)，可調節係統變量
，時間-數字轉換器(TDC)具有自動校準功能，軟件可調設置適用於各種工業和物聯網(IoT)應用，符合激光安全標準IEC / EN 60825-1:2014 、21 CFR 1040.10 和1040.11 (Laser Notice No. 56除外)，獲美國食品和藥物管理局(FDA)認證。

 

圖4：SiPM dToF LiDAR 參考平台: SECO-RANGEFINDER-GEVK

 

此外，安森美半導體的矩陣型激光雷達評估套件Pandion EVK3 - PAN-400100-A-AI-GEVK3，固態光源Flash可以感知三米內的深度，掃描式的波速控製 (Beam Steering)可感知到100米左右的深度。它可用於評估，由Demo 3和DevWare處理的點雲用於可視化，也可作為完整的輸出方案
，構建到定製的LiDAR傳感器中，由客戶ECU或處理器處理點雲數據
，還可作為參考設計，安森美半導體可提供PCB 電路圖、布板
、物料單(BOM)和 FPGA 代碼。

 

總結

 

LiDAR提供的高分辨率深度數據可在充滿挑戰的微光條件下即時準確地識別物體，正越來越廣泛地應用於汽車感知
、工業測距等應用領域。SiPM和SPAD是實現激光雷達係統的核心器件，安森美半導體是擁有此技術的市場領袖，提供業界最高靈敏度、最佳一致性和低噪聲的產品，致力於實現符合車規
、高增益、低成本、尺寸緊湊的光電探測器
，解決行業挑戰，並提供參考設計和評估套件
，幫助設計人員簡化開發

，以加快實現激光雷達的大規模應用。

 

關於安森美半導體

 

安森美半導體(ON Semiconductor，美國納斯達克上市代號：ON)致力於推動高能效電子創新
，使世界更綠、更安全、包容及互聯。公司已轉變為客戶首選的電源、模擬
、傳感器及聯結方案供應商。公司卓越的產品幫助工程師解決他們在汽車、工業
、雲電源及物聯網(IoT)應用中最獨特的設計挑戰。

 

安森美半導體運營反應敏銳、可靠的供應鏈及品質項目，及強大的環境、社會、公司管治(ESG)計劃。公司總部位於美國亞利桑那州菲尼克斯
，在其主要市場運營包括製造廠、銷售辦事處及設計中心在內的全球業務網絡。

 

 

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