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汽车LiDAR系统智慧之眼——探测器该怎么选?

2018-07-18

  据麦姆斯咨询报道,现有LiDAR激光雷达)系统已被用于从安全应用到测绘,再到工业自动化等各类创新应用。其中,汽车市场对LiDAR系统的发展和应用尤其关注。LiDAR扫描仪是自动驾驶汽车原型系统的关键组件,也是当前交通标志识别、自适应巡航控制(ACC)、盲点检测、防撞系统和车道偏离警告等系统中的关键组件。

  在上述所有基于LiDAR的系统中,有一种核心组件不可或缺,那便是LiDAR系统的“智慧之眼”——探测器

  本文旨在简析LiDAR系统原始设备制造商(OEM)设计工程师在各种探测器技术中如何做出选择。

  背景

  汽车LiDAR系统必须能够快速可靠地感知车辆周围环境,尽可能细节丰富地创建周围环境和前方道路的3D图像。安装在快速行驶车辆上的LiDAR系统,需要能够“看到”前方至少150 m的距离,并探测高度小至10 cm的障碍物。

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  汽车LiDAR扫描系统示意图

  上述要点对LiDAR系统的探测器,提出了极具挑战的技术要求。

  因而LiDAR系统需要互补但又独立的探测器系统,同时能够确保环境认证和功能安全性。例如,为了适应来自系统其他组件的热量和环境温度,设备的额定工作温度需要达到-40 ~ 125 ℃。并且,为了能够在各种背景噪音中准确“看到并识别”信号,探测器应具有理想的信噪比。此外,光学探测器还需要做好处理不同强度环境光的准备,因此要求探测器必须具有较宽的动态范围。

  除了基本的物理定律,LiDAR系统设计人员还需要考虑经济性。汽车中的所有组件都需要成本效益。对于实际应用,最佳的性价比是先进技术能否成功应用的关键。

  目前,基本所有采用远距离LiDAR的现有汽车系统都应用了“扫描型”LiDAR设备,可以在整个场景中移动扫描激光束。当前技术的有效探测范围一般为30~300 m。几乎所有的LiDAR系统都使用了905 nm激光器(市场上也有部分企业如Blackmore、Neptec、Aeye和Luminar则正在研究应用1550 nm波长的激光器),该波长的激光器可以低成本地批量制造,发射非可见光高功率短脉冲光束(例如,75 W峰值持续5 ns),提供了理想的功率/成本比。这些激光器已被广泛应用于先进的低成本硅探测器。

  选择最合适的探测器技术

  随着产业的发展,设计工程师可以为LiDAR系统选择多种不同的探测器技术,每种技术都有各自的利弊。

  硅PIN二极管探测器

  这类硅基探测器具有三种类型(P型/本征/N型)半导体层叠在一起形成的结构。

  它们具有最佳的动态范围,可以处理大幅变化的光。例如,即使面对阳光直射,它们也能够探测远处物体的反射。而且,它们相对经济。

  不过,它们没有能力提供大多数复杂汽车LiDAR系统所需要的高水平信噪比和带宽。最后,它们的速度既不快也不够灵敏。

  硅光电倍增管(SiPM)和单光子雪崩二极管(SPAD)探测器

  这些固态硅基探测器的制造商,最初是为专业的小型医疗和科研应用而打造的。近来,它们正积极尝试在更大的LiDAR市场中寻求应用。

  虽然这类探测器在功能性方面类似APD(雪崩光电二极管,下文讨论),但它们针对极高的内部放大或增益进行了优化,使它们能够检测极微弱的光。并且,它们的速度非常快。最后,它们与常用的CMOS技术兼容,因此可以在同一芯片上与相关电子器件耦合。

  然而,与APD的灵敏度相比,这类探测器的单光子计数器的灵敏度相当低。因此,他们必须依靠极高的多级倍增。遗憾的是,在倍增过程中,同时也提高了噪声,这通常会显着降低探测器的信噪比。此外,它们的放大机制也会遭受到由高温引起的误触发。

  据推测,这类探测器最关键的缺点是它们的高增益是以饱和问题为代价的。

  首先,LiDAR探测器需要处理从前方物体反射回来的激光。不仅如此,一些LiDAR系统指定要求宽视场的扫描器。这为SPAD或SiPM探测器增加了大量的光线。此外,LiDAR系统在移动环境中经常遇到的某些状况(例如对方车辆远光灯、明亮的阳光或其他LiDAR系统),可能会使探测器面对超过其处理能力的情况而饱和,即使使用光学滤波器也会如此。

  这类探测器通过不断的开发克服缺陷,已常用于各类不同的LiDAR应用。然而,到目前为止,其饱和问题和上述其他挑战,使它们无法成为远距离扫描LiDAR的首选探测器。

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  各种探测器技术对比

  InGaAs(铟镓砷)光电二极管探测器

  这类探测器通常以小尺寸用于数据通信和电信应用,但除了专门的航空航天或军事应用之外,最近才开始应用于LiDAR系统。该技术不同于传统的InGaAs材料硅基结构。

  由于该类探测器激光系统常常专门针对更高波长的光谱(1550 nm,本文中讨论的其它探测器为905 nm)而设计,因此该技术灵敏度更高,并可实现更高的功率。因此,与大多数其它探测器相比,InGaAs光电二极管能够开发探测距离更远的汽车LiDAR系统。

  然而,即使面对几乎可以忽略地高于正常环境的温度,InGaAs探测器的性能也会显着降低。因此,即使在温和气候下,这类探测器也可能需要专门的外部冷却系统。

  此外,与大量使用的硅基板相比,其基础材料成本更高。而且,用于LiDAR系统的大尺寸InGaAs探测器,其制造将比硅设计复杂得多。到目前为止,还无法实现大规模商业量产。

  最后,由于这项技术对于汽车LiDAR领域来说是一项新技术,当试图围绕InGaAs探测器构建创新的LiDAR系统时,OEM必须为花费更大的精力、时间和成本而做好准备。

  雪崩光电二极管(APD)探测器

  这类硅基光电探测器主要用于工业和军事应用。它们的运行原理是通过允许进入的光子促发电荷雪崩,然后通过其内部放大机制倍增增益。通过吸收优化的结构,它们能够将激光器近80%的905 nm反射光转换成光电流,带来了大辐提高的灵敏度。

  除了突出的灵敏度,APD还具有最小的饱和度、理想的信噪比和高速优势。它们也是市场上成本最低的探测器技术之一。

  APD的一个潜在缺点是它们使用了与普通CMOS制造不兼容的专用双极技术。因此,仅有少数几家供应商可以供货。而且,它们无法与相关的CMOS器件在同一芯片上集成。

  不过,探测器和电子器件的封装,可以由经验丰富的供应商在芯片上彼此靠近的完成。两者都可以在没有任何影响的情况下获得增强,以获得最高性能。例如,专门设计的跨阻抗放大器(TIA)具有定制的增益和带宽,可用于APD探测器阵列的补充(将光电流转换为电压,并调节进入系统的信号以提高增益)。这可以改善器件性能,尤其是在低光照条件下。

  APD采用标准的、高生产率的商业化生产工艺制造,并且已经在广泛的系统中证明了它们的性能。

  重要的是,当以适当的方式运行时,它们结合了有目共睹的性能和极具吸引力的成本优势。

目前,APD是汽车远距离LiDAR系统的首选探测器,是几款现有最复杂自动驾驶系统的关键组件。

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  雪崩光电二极管(APD)探测器

  选择最优的探测器供应商

  在确定了合适的探测器技术后,LiDAR系统设计商在选择合适的探测器供应商时,仍然面临不少困难。

  非常有必要谨慎地评估候选供应商,他们是否有潜力、技术和能力使其系统和探测器适应OEM的个性化需求和市场需求?他们是否会与OEM团队密切合作进行设计、生产和调度,以确保赢得上市时间?

  强调经验

  如果探测器供应商需要花时间加速其开发、生产、汽车产品认证和其他流程,那么LiDAR系统OEM将在加速产品上市方面落败。

  探测器供应商需要通过相关工作获得经验。一家好的候选供应商,应该已经将他们的探测器/传感器技术用于车辆应用。这包括量身定制的标准APD设计;量身定制的标准封装、芯片以及模组工程和制造;以及顶级电子器件。

  一家完美的供应商需要有确定的、良好的市场供应记录,已经有相关产品被领先的LiDAR系统OEM采用,例如汽车级APD和相关电子器件。

  评估集成制造能力

  LiDAR设计人员必须优先考虑具有合适技术优势的供应商,例如最高的灵敏度和最低的噪音。然而,他们还需要寻觅那些对其领域具有整体控制能力的探测器制造商。

  将整个制造过程作为一个连续的整体实施非常重要(从芯片加工到探测器系统的预制)。如果供应商能够自己在内部制造所有重要元件,则可以确保所有OEM产品的长期供货,用于支持售后服务市场和批量生产。

  考核定制化能力

  要想作为一家成功的LiDAR系统制造商脱颖而出,实现最佳的性价比至关重要,这有助于在这个过度拥挤的市场形成差异化优势。现成市售的探测器可能就无法满足要求了。因而,相关组件通常必须是量身定制的,以便完全适合所选择的系统设计。

  系统制造商必须找到一家响应能力和机动性很强的探测器供应商。在许多情况下,探测器供应商必须与OEM设计人员合作,为探测器和相关电子器件进行量身定制,以便与其它系统尽可能的实现一体化,从而获得最佳的系统性能。

  例如:设计团队必须建立适合特定透镜的探测器几何形状、优化尺寸,以及适应每种独特光学设计的配置。此外,还必须确定理想的信道数(并行接收的信号数量),以提高LiDAR扫描仪的空间分辨率。而且,还应该为电子器件和探测器之间的最短接口,量身定制封装方案。

  最后,一家优秀的供应商必须能够提供具有复杂技术优势的探测器,例如多像素同质性。在实际使用中,非同质性和/或不同来源的光电二极管对环境温度的反应不同,从而大大降低了LiDAR扫描仪的性能。另一方面,即使在峰值距离处,多像素同质性也可以提供最严格的信号信息分布。

  审核车规级认证

  优秀的探测器供应商应该早就意识到“上路”所需要满足的法规要求。他们应该具备最新的稳健性验证、汽车认证、特性规范和标准。

  例如ISO/TS16949汽车认证的生产和测试,以及AEC-Q 102和104汽车认证的APD阵列封装。供应商应能够将这些及其他适合的标准应用于其所有组件和制造,遵守法规并协助系统OEM规避责任。

  增加监管是不可避免的。供应商应通过文档记录的最佳规范,证明其法规遵守情况,例如福特汽车公司在其Q计划中开创的严格的自我认证。

  确保未来的持续支持

  供应商还必须展示其良好的质量跟踪记录和产品交付能力,以及从初始开发到维护服务的有力支持。

  在LiDAR系统设计之初就应考虑探测器的设计。探测器供应商越早参与,OEM的整个设计/制造过程就越容易、进展越快,所得到的LiDAR系统的性能就越好。

  最后,供应商必须始终密切关注这个快速变化的领域的未来发展。杰出的探测器制造商应该拥有预期法规监管、业务和技术进步的创新路线图,以为LiDAR系统制造商在这个快速变化的市场中指引方向。

  结语

  LiDAR系统的核心之一是探测器。系统设计商需要从众多竞争探测器技术中做出合适的选择。许多设计工程人员相信,APD探测器最好地结合了成本和性能优势。LiDAR系统制造商在探测器供应商选择方面,也应该全面的考量各种因素,例如定制化能力、经验以及汽车级应用认证等。

  LiDAR系统和其它移动技术正在不断发展,选择正确的探测器技术显然是最重要的第一步。