【導讀】LiDAR的全稱是Light Detection and Ranging(激光探測及測距)，是(shi)一(yi)種(zhong)利(li)用(yong)激(ji)光(guang)感(gan)測(ce)距(ju)離(li)的(de)方(fang)法(fa)
，它(ta)會(hui)測(ce)量(liang)激(ji)光(guang)從(cong)物(wu)體(ti)反(fan)射(she)回(hui)來(lai)所(suo)用(yong)的(de)時(shi)間(jian)而(er)達(da)到(dao)測(ce)距(ju)的(de)目(mu)的(de)。根(gen)據(ju)具(ju)體(ti)應(ying)用(yong)，可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)不(bu)同(tong)的(de)波(bo)長(chang)，但(dan)最(zui)常(chang)用(yong)的(de)是(shi)紅(hong)外(wai)線(xian)(IR)。

大多數時候

，人腦擅長推斷物體的相對深度/距離和大小，這是人類的一種本能，尤其是在駕駛車輛時。但成像係統卻很難做到這一點，尤其是標準圖像傳感器是用2D圖像表示3D場景。在類似於人眼的立體布局中使用兩個圖像傳感器，能夠提取深度數據，但測距精度有限，並且會受到環境光線的影響。

使用LiDAR獲(huo)得(de)深(shen)度(du)數(shu)據(ju)就(jiu)可(ke)以(yi)在(zai)不(bu)依(yi)賴(lai)光(guang)線(xian)條(tiao)件(jian)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)實(shi)施(shi)測(ce)量(liang)，並(bing)消(xiao)除(chu)圖(tu)像(xiang)的(de)模(mo)糊(hu)問(wen)題(ti)，從(cong)而(er)做(zuo)到(dao)場(chang)景(jing)中(zhong)區(qu)分(fen)及(ji)理(li)解(jie)不(bu)同(tong)物(wu)體(ti)。將(jiang)發(fa)射(she)到(dao)物(wu)體(ti)後(hou)反(fan)射(she)回(hui)來(lai)的(de)光(guang)脈(mai)衝(chong)與(yu)精(jing)準(zhun)定(ding)時(shi)測(ce)量(liang)相(xiang)結(jie)合(he)，可(ke)以(yi)計(ji)算(suan)出(chu)物(wu)體(ti)的(de)距(ju)離(li)。

LiDAR在汽車領域的應用十分廣泛，尤其是用於SAE級別為L3~L5的半自動駕駛車輛，例如
，感測車輛周圍的物體

；在高速公路上看到數百米外的前方。LiDAR也常用於送貨機器人和其他需要自主感知的應用。該技術也廣泛應用於以高精度快速生成可處理的3D深度圖的戶外應用情景——而使用傳統測量技術時，這一過程需要耗時數日。

例如

，農業領域使用LiDAR測量田地或土地，繪製地圖、評估作物狀況，從而使農民能夠建模預測作物產量，以及選擇最合適的農藥/肥料。對於儲存在筒倉中的穀物和儲存在貯存罐中的液體
，隻需在筒倉/貯存罐頂部安裝LiDAR
，即可在不與內容物接觸的情況下立即測量儲量。

環境組織經常使用LiDAR來評估森林砍伐情況、測量海岸侵蝕情況或監測冰川消退情況。此外，在這些應用中，通過在無人駕駛飛行器(UAV)/無人機上安裝LiDAR，研究人員能夠對人跡罕至的偏遠地區進行勘測，而無需親自前往。

智能工廠在自動引導車(AGV)上使用LiDAR，運輸原材料進行加工
，並將成品運送到發貨區。當智能工廠中的機器人使用LiDAR時，可以充分發揮LiDAR自身的強大功能，幫助這些機器人精確執行任務
，並使它們能夠感測周圍是否有人

，從而以周到和安全的方式工作。

LiDAR可用於快速勘測鐵路或高速公路等大型建設項目。LiDAR還可以作為一種安全輔助手段，使某些區域免受不必要或意外的入侵。這在存在危險物質或有大型機器工作的地方意義重大。LiDAR在所有照明條件下都能有效工作，意味著在這些類型的應用中
，它可以提供可靠的永遠在線的保護。

LiDAR的類型

最常見的LiDAR類型是直接飛行時間(dToF)係統，其背後的原理非常簡單：測量光脈衝到達目標並返回傳感器所用的時間。光速是一個已知的物理常數，因此計算發射器/探測器和反射目標之間的距離十分簡單。

圖 1：dTOF可測量光到達目標並返回所需的時間

該技術通常使用由光源(最常見的是激光器)發(fa)射(she)的(de)單(dan)個(ge)非(fei)常(chang)短(duan)的(de)脈(mai)衝(chong)，發(fa)射(she)同(tong)時(shi)會(hui)激(ji)活(huo)一(yi)個(ge)精(jing)確(que)的(de)計(ji)時(shi)器(qi)。當(dang)光(guang)脈(mai)衝(chong)擊(ji)中(zhong)範(fan)圍(wei)內(nei)的(de)物(wu)體(ti)時(shi)，它(ta)將(jiang)反(fan)射(she)回(hui)到(dao)通(tong)常(chang)與(yu)激(ji)光(guang)器(qi)並(bing)置(zhi)排(pai)列(lie)的(de)高(gao)靈(ling)敏(min)度(du)光(guang)傳(chuan)感(gan)器(qi)。一(yi)旦(dan)探(tan)測(ce)到(dao)返(fan)回(hui)脈(mai)衝(chong)，計(ji)時(shi)器(qi)就(jiu)停(ting)止(zhi)計(ji)時(shi)，這(zhe)時(shi)可(ke)讀(du)取(qu)到(dao)達(da)物(wu)體(ti)並(bing)返(fan)回(hui)所(suo)用(yong)的(de)時(shi)間(jian)。

隻要知道從發送脈衝到收到回波經過的時間(t)
，使用光速常數(c)計算到目標物體的距離(D)就很簡單了。

dToF方法快速有效，可以測量多個回波，因此能夠探測LiDAR視野內的多個物體。它能夠用於遠程和近程 (0.1 m~300 m)應用，並且在整個範圍內保持穩定的高精度。

另一種LiDAR方法稱為間接飛行時間(iToF)
，同樣使用來自激光的連續光波。這種方法不會直接測量經過的ToF，而是根據已發射和已接收波形之間的相位差來確定ToF。

iToF技術更適合相對短的距離測量(＜10 m)，尤(you)其(qi)是(shi)光(guang)線(xian)條(tiao)件(jian)沒(mei)有(you)室(shi)外(wai)那(na)麼(me)具(ju)有(you)挑(tiao)戰(zhan)性(xing)的(de)室(shi)內(nei)應(ying)用(yong)，室(shi)外(wai)的(de)對(dui)比(bi)度(du)通(tong)常(chang)要(yao)高(gao)得(de)多(duo)。該(gai)技(ji)術(shu)隻(zhi)能(neng)探(tan)測(ce)到(dao)最(zui)強(qiang)的(de)回(hui)波(bo)，因(yin)此(ci)隻(zhi)能(neng)探(tan)測(ce)單(dan)個(ge)物(wu)體(ti)。

第三種LiDAR是調頻連續波(FMCW)，適shi合he近jin程cheng和he遠yuan程cheng測ce距ju。該gai技ji術shu用yong可ke調tiao諧xie激ji光guang器qi來lai產chan生sheng連lian續xu光guang波bo，所suo產chan生sheng的de光guang波bo將jiang在zai探tan測ce器qi處chu與yu反fan射she光guang混hun合he。這zhe種zhong混hun合he可ke在zai本ben地di波bo形xing和he反fan射she波bo形xing之zhi間jian產chan生sheng拍pai頻pin，由you此ci計ji算suan出chu物wu距ju和he方fang向xiang速su度du。

雖然FMCW既有出色的測距性能，還能捕獲方向速度信息，但由於要使用帶有偏振控製的可調諧激光器，並且依賴短波紅外波長(要求激光器和探測器使用特殊半導體)，這種LiDAR係統的總體成本大大增加。

圖 2：基於LiDAR的深度感測方法比

“波長大辯論”

圍繞LiDAR最有爭議的話題之一是使用哪種波長。IR的使用優先於可見光，因為背景IR要少得多，所得信噪比(SNR)更好，從而使探測返回光變得更加容易。

IR光譜範圍內有多個合適的波長，包括近紅外(NIR)光譜(850 nm
、905 nm、940 nm)和短波紅外(SWIR)光譜(1350 nm、1550 nm)。決定具體使用哪種波長是“波長大辯論”的關鍵議題。有三個最重要的標準需要考慮，分別是係統的性能
、是否有合適的組件和係統的總體成本。

探測器是任何LiDAR係統中最基本的組件之一。CMOS矽基探測器可探測到波長在400 nm至1000 nm範圍內的光，因此其對可見光和NIR光敏感
，但不能感測SWIR光。為了探測SWIR光，就必須使用InGaAs合金等III/V族半導體，與矽相比，InGaAs合金非常昂貴。

組件可用性是另一個考慮因素
，尤其是就激光發射器而言。邊緣發射激光器(EEL)正逐漸為垂直腔麵發射激光器(VCSEL)所取代，後者更容易封裝成陣列

，並且在整個溫度範圍內波長穩定。雖然VCSEL目前的能效較低，價格也較高，但隨著它們應用範圍的不斷拓展，這種情況有望得到改善。

盡管SWIR EEL有多家供應商
，但目前SWIR VCSEL隻有一家供應商，而NIR VCSEL也有多家供應商。因此，選擇NIR更有可能提高供應鏈的安全性。

探測範圍很重要
，因為這能夠增加可用的反應時間，從而提高安全性。但激光過強會傷害眼睛，因此IEC 60825規定了1ns激光脈衝的最大容許照射量(MPE)。

雖然NIR必須具有較低的MPE
，但如果脈衝寬度縮短，則可以提高激光功率，而由於使用靈敏的探測器
，可以達到最長300 m的測距範圍。在天氣好的時候
，SWIR的測距範圍將超過NIR，但是SWIR更容易受到濕氣(如雨或霧)的不利影響

，因此基於NIR的係統的性能下降速度將低於SWIR係統，從而可以在各種天氣條件下提供更一致的性能。

基於以上所述
，通常認為NIR是汽車LiDAR的首選波長。NIR使得我們可以使用矽基器件，而不是InGaAs等更加昂貴的材料，可能更重要的是，相關組件可以從多個供應商處獲得，有助於建立起更強大的供應鏈。雖然NIR和SWIR在工作時都能夠確保人眼安全，但NIR在使用較低功率激光的同時，仍然能夠滿足汽車LiDAR的要求。

從商業角度來看，NIR的成本要低得多，而成本一直是汽車應用方麵的一個重要考慮因素。IHS Markit的一項調查(Amsrud
，2019)顯示，激光器和探測器的每通道成本約為4至20美元，而對於類似的SWIR係統，每通道成本約為275美元。即使有了進一步發展、容量增加，但預計NIR的成本仍將比SWIR低10~100倍。

LiDAR構成技術

任何LiDAR係統最重要的元件之一是可捕獲和量化反射激光的感測元件。雖然可以使用多種技術來實現這一點，但矽光電倍增器(SiPM)通常表現最好
，這主要是因為它能夠以近似1,000,000數量級的高增益來探測單個光子。

因此，近年來SiPM的應用越來越廣泛

，已然成為LiDAR深度感測應用的首選傳感器。與雪崩光電二極管(APD)等傳統探測器(不僅增益低得多
，還需要對傳入信號進行積分)相比，這些器件能夠在高對比度條件下為長距離測距提供最高的SNR性能。其他優勢包括電源偏置更低、均勻性更好
，以及對溫度變化的靈敏度降低等
，使得SiPM成為使用APD的係統的理想升級選項。SiPM靈敏度更高
，可以使用小封裝光模塊，因此使LiDAR更容易集成到車輛中。由於SiPM采用高容量CMOS工藝生產，這些高性能器件的探測器成本最低
，進一步推動了LiDAR的普及。

安森美(onsemi)的ArrayRDM-0112A20-QFN是一個具有0.47 mm x 1.12 mm SiPM像素的1×12單片陣列，基於先進的專有RDM SiPM CMOS工藝
，專為實現對NIR光的高靈敏度而開發

，能夠在905 nm波長下使光子探測效率(PDE)達到行業領先的18.5%。在這個波長下，響應度大於100 kA/W。

由於SiPM的內部增益高，靈敏度可降至單光子水平
，再加上高PDE
，能夠探測出微弱的返回信號。這使得LiDAR係統可以探測更遠距離的低反射率目標。該陣列采用穩定可靠的10 mm x 5.2 mm QFN封裝，可以訪問12個獨立像素。

該陣列專為汽車LiDAR係統(包括閃光燈
、機械或MEMS掃描LiDAR)而設計，是第一個獲得AEC-Q102 汽車認證的陣列，並已根據IATF 16949標準進行開發。由於該陣列成本低、性能高，可以實現經濟高效的遠程LiDAR方案，提高汽車的安全性和自主性水平。

總結

LiDAR是一項有著重要意義的技術，因為它的掃描係統能夠快速準確地確定深度


，既可以進行單點掃描，也可以繪製物體或大型場地的3D圖。

在規劃LiDAR設計時，關鍵是要決定使用哪種IR光波長。綜合考量性能、是否有合適的組件和商業因素
，NIR通常是首選。

在大多數LiDAR實現過程中，激光光源可能相對簡單，但探測器的選擇對係統性能有很大影響。安森美的最新SiPM陣列具有出色的探測性能
，更重要的是，對於汽車應用來說
，它是首款獲得AEC-Q102認證的SiPM探測器。

參考文獻

Amsrud, P.(2019 年 9 月 25日)。實現低成本LiDAR係統的競爭[會議報告]。汽車LiDAR 2019，美國密歇根州底特律。

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