基于安森美半导体的激光雷达LiDAR技术设计方案

激光雷达(LiDAR)是一种测距技术，近年来越来越多地用于汽车先进驾驶辅助系统(ADAS)、手势识别和3D映射等应用。尤其在汽车领域，随着传感器融合的趋势，LiDAR结合成像、超声波、毫米波雷达，互为补足，为汽车提供全方位感知，为迈向更安全的自动驾驶铺平道路。安森美半导体提供这全系列传感器方案且技术遥遥领先，在单光子雪崩二极管(SPAD)和硅光电倍增管(SiPM)传感器技术是市场领袖之一，提供完整的LiDAR方案，包括系统、传感器、输出和激光驱动器方案。

安森美半导体完整的LiDAR方案

1个LiDAR系统有6个主要的硬件功能块：传输、接收、光束转向、光学器件、输出和电源管理。典型的LiDAR系统框图如图1所示。其中，安森美半导体可提供SiPM/SPAD、激光驱动器参考设计、电源管理、放大与处理以及时序、直方图、点云生成乃至系统等。成熟的模拟SiPM 产品有C系列、J系列、R系列。系统有SiPM 阵列扫描LiDAR 演示仪（超过100 m扫描距离）、把SiPM 与图像传感器融合的FUSEONE、最新的400 x 100 SPAD 阵列Pandion。

图1：典型的LiDAR系统框图

什么是SPAD、SiPM和ToF

SPAD是一种工作在盖革模式(Geiger Mode)的光电二极管，就像光子触发开关一样，处于“开”或“关”状态。SiPM是由多个独立的SPAD传感器组成，每个传感器都有自己的淬灭电阻，从而克服单个SPAD不能同时测量多个光子的不足。飞行时间(ToF)指给目标发送光脉冲然后传感器接收从目标返回的光所需的时间。通过光速和ToF，可计算出目标距离，概念很简单，但却受到现实世界诸多挑战，包括苛刻的环境如光照条件、低反射率目标及长距等。目前共有两种ToF测量技术：单激光脉冲法和多激光脉冲法。单激光脉冲法指每次测量单个脉冲返回的时间，要求高的信噪比(SNR)。多激光脉冲法指每次测量多个脉冲返回的时间，通过直方图数据来获得距离，若提高SNR可实现更远距离的探测。ToF LiDAR可用于许多应用，如机器人、无人机、工业、移动、汽车ADAS和自动驾驶及增强实境(AR)/虚拟实境(VR)等。

SiPM和SPAD正成为新兴的LiDAR探测器

SiPM和SPAD可探测距离超过200 m、5%的低反射率目标，在明亮的阳光下也能工作，分辨率极佳，且尽可能小的光圈和固态设计实现紧凑的系统集成到汽车中，并极具成本优势，正成为新兴的LiDAR探测器。

汽车LiDAR传感器要求

1. 严格的一致性

由于SiPM/SPAD工作在盖革模式下，所以很难控制产品的一致性。安森美半导体是目前全球真正有能力大批量量产SiPM产品的供应商，其提供的数百万传感器的电压和增益非常一致，易于系统校准和降低制造成本。

2. 符合车规（IATF 16949、AEC Q102、-40至1050C工作温度、符合PPAP）

安森美半导体在汽车生产方面积累了多年的专业经验，有非常完善的车规产品的质量监督和控制体系，从一开始设计就考虑了汽车认证去设计传感器和封装。

3. 在905 nm处高的光子探测率(PDE)

安森美半导体的SiPM如今具有同类最佳的PDE，超过12%，2020年将达30%。

4. 高增益

SiPM的增益是雪崩光电二极管(APD)的1万倍，是PIN二极管的100万倍，串扰