SiPM，车载激光雷达的下一块拼图

激光雷达作为一种利用激光测量速度、位置与距离的传感器，已经广泛应用于机器人、无人机、L2级别以上汽车等产品中，甚至是作为主要传感器的存在。要按不同的技术来分类的话，激光雷达可以从扫描方式、发射方式等角度分成多个大类。
 
探测器是激光雷达接收端的核心组件之一，在dToF激光雷达中，主要用于接收返回的脉冲激光并将其转化为电流，随后用于测距等计算。以所用光电探测器的种类不同，目前主要分为PMT（光电倍增管）、PD（Pin光电二极管）、APD（雪崩光电二极管）、SPAD（单光子雪崩二极管）、SiPM（硅光电倍增管）这几种类型。
 
对于汽车激光雷达而言，APD在技术成熟度上更高，依然占据主流方案，但随着激光雷达对探测距离要求的提高，这一器件开始看向增益更高的SPAD与SiPM。
 
高出主流方案几个数量级的增益
 
要说增益能力的话，SPAD和SiPM绝对是称霸光电探测器的。毫无增益的PD切不论，单凭APD数十数百的增益，是完全无法与以10⁶为数量级的SPAM与SiPM相提并论的。这也是为何SiPM拥有更高的光子探测效率（PDE）的原因，这一参数和激光功率决定了激光雷达的探测距离，而后者是由发射端的激光器决定的。
 
RDM系列SiPM / 安森美
 
电子发烧友网就SiPM的优势采访了安森美中国汽车市场现场应用经理陈力，他补充道：除了高增益外，SiPM的工作电压也显著小于上百伏的APD，同时对电压波动和温度变化的敏感度也远小于APD。因为SiPM是模拟器件，温度变化会导致工作点迁移，理想输出值应该只受激光强度影响，但温度漂移会恶化输出的线性特性，通常产品需要标定和补偿温漂的影响。
 
不同探测器参数对比 / 米兰理工大学
 
除此之外，像素数量也是SiPM的重要指标之一。作为由SAPD阵列并联组成的光电探测器，SiPM的像素数量标识了该感光芯片可以支持同时扫描的线数。芯片像素越多，高分辨率激光雷达需要集成的感光芯片越少，可以降低系统设计复杂度和成本。
 
至于SPAD与SiPM的选择，陈力也给出了自己的观点，他表示，一般SPAD有更高的灵敏度，其输出是二值化的0或1，判断是否感知到激光；SiPM的灵敏度相对低一些，但其输出能区分激光强度的大小。二者在产品中体现了灵敏度和输出动态范围的不同平衡点。因此在两者的选择上，更多是看激光雷达厂商自己的权衡。
 
不同波长下的选择
 
在现有的SiPM产品中，我们在详细参数中看到都是在等于或低于905nm波长的表现，作为目前激光雷达最常选用的波长，以此作为标准确实没问题，但SiPM在其他波长下，比如另一常用近红外光波长1550nm下的表现如何呢？这就与SiPM本身的材料有关了，我们从“硅”光电倍增管这个名字就知道这一组件是基于何种材料了。陈力解释道，SiPM作为硅基传感器，一般只会感知波长小于1000nm的红外光。所以常用905nm下的PDE作为衡量标准。
 
安森美中国汽车市场现场应用经理 陈力
 
正因如此，如果厂商打造的是基于1550nm波长下的激光雷达，还是得用其他的非硅基的光电探测器，比如基于InGaAs或是InP的SPAD。但我们在上文中提到了激光功率是决定探测范围的另一大因素，而1550nm的激光雷达可以做到更高的功率，所以探测距离上占优，不过相对应的成本也会高出来一些。这对比汽车本身的成本可能不算什么，可随着车载激光雷达数目的增多，整车自动驾驶系统的价格就会高出不少了。
 
谈到1550nm的光源就不得不提及广泛使用它的FMCW激光雷达，大家对FMCW激光雷达的前景极为看好，不过目前商用量产的却少之又少。陈力认为，dToF激光雷达技术更成熟，成本相对较低，但抗干扰能力弱一些。FMCW激光雷达要调制激光，光源控制复杂，需要更强的算法计算能力，整体系统成本高。这两大技术路线各有特点，都在向更好性价比的方向发展。
 
结语
 
市面上常见的主要还是做SPAD的探测器厂商较多，目前也有一些厂商在往SiPM上发力，比如安森美、滨松、博通、灵明光子、京邦科技等等，但正如激光雷达本体和其它汽车零部件一样，做到车规认证才是进入汽车市场的敲门砖，否则主要应用场景还是在无人机、机器人、医疗设备和AR/VR上。而激光器、探测器则需要通过AEC-Q102这一车规认证，目前SiPM探测器中已公开通过该认证的似乎也只有安森美去年发布的ARRAYRDM产品。
 
尽管转向SPAD和SiPM已经是dToF激光雷达探测器未来的大势所趋，两者在性能上都高于主流的APD方案，但在总成本上以及生产设计成熟度上，都还有进一步改善的空间。再考虑到本身激光雷达各大技术路线都存在分歧，短时间也很难确定谁是笑到最后的方案。