硅光電倍增管(SiPM)用于直接飛行時間(ToF)測距應(yīng)用

時間：2022-02-16 14:12:04

關(guān)鍵字：安森美硅光電倍增管激光雷達(dá)

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[導(dǎo)讀]本白皮書旨在協(xié)助開發(fā)基于硅光電倍增管(SiPM)的激光雷達(dá)(LiDAR，光探測和測距)系統(tǒng)。下面的章節(jié)包含了以下信息：直接飛行時間（ToF）測距儀的激光器、計時和光學(xué)參數(shù)的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)，以及詳細(xì)分析將SiPM整合到此類系統(tǒng)中時必須考慮的關(guān)鍵方面。

前言

LiDAR是一種測距技術(shù)，正越來越多地用于移動測距、汽車ADAS（先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)）、手勢識別和3D繪圖等應(yīng)用。與雪崩光電二極管(APD)、PIN二極管和PMT等替代性傳感器技術(shù)相比，采用硅光電倍增管(SiPM)作為光敏傳感器有許多優(yōu)勢，特別是對于移動和大批量產(chǎn)品而言。安森美(onsemi)的SiPM提供：

?從250納米到1100納米的單光子探測

?低電壓--易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求

?低功耗--較低的工作電壓和簡單的讀出電子裝置實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計

?高帶寬和快速響應(yīng)時間—最小化測距時間

?能夠利用低激光功耗直接ToF測距技術(shù)的優(yōu)勢

?低噪聲和高增益--可實(shí)現(xiàn)好的信噪比（SNR）

?標(biāo)準(zhǔn)CMOS制造工藝--成本低，高度一致性，可擴(kuò)展生產(chǎn)

?小尺寸SMT封裝--可提供1毫米的傳感器

與其他傳感器相比，遷移到SiPM傳感器技術(shù)會帶來一系列不同的限制。本白皮書旨在幫助用戶充分利用該技術(shù)的優(yōu)勢，并盡快實(shí)現(xiàn)采用SiPM傳感器的工作設(shè)置。

為此，安森美創(chuàng)建了三個工具來幫助用戶；一個用于仿真的MATLAB測距模型，一個測距演示器硬件裝置，以及本文文件。

?我們創(chuàng)建了一個直接ToF系統(tǒng)的詳細(xì)MATLAB模型，以便于仿真基于SiPM的測距應(yīng)用。該模型可用于支持測距系統(tǒng)的設(shè)計，并可進(jìn)行修改以仿真各種應(yīng)用和實(shí)施。

?一個基于SiPM的LiDAR演示系統(tǒng)已建成。對這個 "第一代 "系統(tǒng)進(jìn)行了測量，并用于驗(yàn)證MATLAB模型的仿真結(jié)果。

?本文文件旨在幫助新用戶開發(fā)基于SiPM的直接ToF測距系統(tǒng)。它討論了各種系統(tǒng)和環(huán)境因素對所產(chǎn)生的信噪比的影響。

直接ToF測距系統(tǒng)的設(shè)計

一個直接的ToF測距系統(tǒng)所需的基本組件，如圖1所示

1. 一個帶有準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)的脈波激光器

2. 一個帶有檢測光學(xué)組件的傳感器

3. 計時和數(shù)據(jù)處理電子裝置

本文檔聚焦激光器、傳感器、讀出器和應(yīng)用環(huán)境的系統(tǒng)設(shè)計。本白皮書中的單點(diǎn)、直接ToF基線工作可以擴(kuò)展到更復(fù)雜的掃描和成像系統(tǒng)。在直接ToF技術(shù)中，一個周期性的激光脈波被指向目標(biāo)，通常采用對眼睛安全的紅外區(qū)功率和波長。目標(biāo)擴(kuò)散并反射激光光子，一些光子被反射回傳感器。傳感器將檢測到的激光光子（和一些由于噪聲而檢測到的光子）轉(zhuǎn)換為電訊號，然后由計時電子裝置進(jìn)行時間標(biāo)記。這個飛行時間t，可用來計算到目標(biāo)的距離D，計算公式D=ct/2，其中c=光速，t=飛行時間。傳感器必須將返回的激光光子從噪聲（環(huán)境光）中區(qū)分出來。每個激光脈波至少捕獲一個時間標(biāo)記。這稱為單次測量。結(jié)合許多單次測量的數(shù)據(jù)以產(chǎn)生一個測量值，信噪比可以得到極大的改善，從中可提取出檢測到的激光脈波計時，具有高精度。有幾種不同的讀出技術(shù)可從檢測到的激光光子脈波中獲取計時信息，總結(jié)如下：

測距讀出技術(shù)

?LED（前緣識別）--涉及對多光子訊號的上升沿的檢測。計時的準(zhǔn)確性是由辨別返回的光訊號的上升沿的能力決定的。這種技術(shù)不受激光脈波寬度的影響。

?全波形數(shù)字化--全波形被數(shù)字化，可以過采樣以提高精度。對于短激光脈波或高重復(fù)率源來說，可能難以實(shí)現(xiàn)。

?TCSPC（時間相關(guān)的單光子計數(shù)）--提供最高的精度和最大的環(huán)境光抑制。這種技術(shù)要求每個激光脈波檢測不到一個訊號光子。這種技術(shù)可以不受環(huán)境光的影響，但需要短脈波時間、高重復(fù)率和快速計時電子裝置，以實(shí)現(xiàn)快速和準(zhǔn)確的測量。

?SPSD（單光子同步檢測）--TCSPC的一種形式，提供高環(huán)境光抑制。必須設(shè)計電子裝置來處理范圍模糊的問題。

圖1. 直接ToF測距技術(shù)概覽

建模一個直接ToF測距系統(tǒng)

我們創(chuàng)建了一個直接ToF系統(tǒng)的MATLAB模型。該模型的框圖如圖2所示。該模型給定一組與表1中所示相似的系統(tǒng)參數(shù)，目的是預(yù)測系統(tǒng)的整體性能。第一步包括分析計算傳感器的光照度（包括環(huán)境光和激光），給定一個選定的光學(xué)場景，可以通過改變相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)來改變。通過比較計算出的光照度與傳感器的飽和極限，可以驗(yàn)證所選擇的設(shè)置是否適合測距。在特定設(shè)置不適合測距的情況下，可以通過改變系統(tǒng)參數(shù)來評估設(shè)置本身的改進(jìn)。該模型的第二部分包括一個Monte Carlo 仿真器，其中傳感器的隨機(jī)特性，主要是光子探測效率（PDE）和時間抖動，被再現(xiàn)。這一步允許通過仿真獲得傳感器的現(xiàn)實(shí)輸出。與分析部分相比，這一步考慮到了計時信息，如采集時間、激光的重復(fù)率和激光脈波寬度。Monte Carlo 仿真的結(jié)果被傳遞給一個讀出模型，通常是一個鑒別器，然后是一個TDC（時間到數(shù)字轉(zhuǎn)換器），它產(chǎn)生一個時間戳的柱狀圖，從中可以提取一個范圍測量。

圖2. 光照度的計算結(jié)合Monte Carlo 仿真器，從而可以再現(xiàn)完整的系統(tǒng)輸出。

表1. SiPM直接ToF測距系統(tǒng)中的變量

測距直方圖

每次發(fā)出激光脈波時，采集系統(tǒng)都會進(jìn)行一次單次測量。取決于許多因素，包括激光功率和與目標(biāo)的距離，每個脈波檢測到的激光光子數(shù)量可能很低。理想情況下，每個檢測到的光子都會用時間標(biāo)記。但每個單次測量的時間標(biāo)記數(shù)量可能受到TDC死區(qū)時間的限制。通常情況下，許多單次測量的時間，各包含一個或多個時間標(biāo)記，結(jié)合起來可產(chǎn)生一幀。在一幀過程中獲得的完整計時數(shù)據(jù)可以以直方圖的形式繪制出來，如圖3所示。系統(tǒng)測距性能受到直方圖數(shù)據(jù)質(zhì)量的限制，而直方圖又受到系統(tǒng)參數(shù)的影響。從第7頁 "改變系統(tǒng)變量的影響 "一節(jié)中詳述的系統(tǒng)參數(shù)分析中可以看出，有一些限制因素和一些可以作出的取舍。下面使用的測距直方圖也提供了一個直觀的表示，這對于描述各種參數(shù)對所采集數(shù)據(jù)的影響是很有用的?；局狈綀D訊號和計時參數(shù)說明如下。

直方圖的信噪比，SNRH，是訊號峰值與最大噪聲峰值之比。SNRH = 訊號峰值/噪聲峰值。

在模型中，以下術(shù)語適用于測量時間： f = 激光頻率

激光重復(fù)率限制了可以測量的最大ToF，無失真，這定義了每次單次測量的時間。

單次測量時間，tss = 1/f

幀大小是指每張直方圖的單次測量數(shù)。較大的幀大小可以提高SNRH，產(chǎn)生更好質(zhì)量的直方圖。測距速度由幀率定義：幀率=每秒測距次數(shù)=1/ tacq

圖3. 顯示訊號、噪聲和飛行時間的仿真直方圖實(shí)例

改變系統(tǒng)變量的影響

系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)將根據(jù)特定應(yīng)用的要求而變化。本節(jié)的目的是利用直接ToF測距系統(tǒng)的模型，證明采集的數(shù)據(jù)是如何受到七個關(guān)鍵參數(shù)的影響。也體現(xiàn)與目標(biāo)的距離和環(huán)境光照度的影響。關(guān)鍵點(diǎn)總結(jié)在表2中。以下各節(jié)顯示的直方圖是通過仿真得到的，可以假定每個直方圖都包括在單幀中獲得的整個數(shù)據(jù)集。為了計算速度，所顯示的直方圖對應(yīng)于一個較短的采集時間。

1. 參考直方圖

圖4顯示了在右側(cè)藍(lán)色呼出框中列出的條件下，通過仿真得到的參考直方圖。這種配置被用作參考點(diǎn)，以顯示替代系統(tǒng)參數(shù)值的影響。以下分析中所使用的系統(tǒng)參數(shù)是為了提供一個典型的5米測距應(yīng)用的參考點(diǎn)。一些參數(shù)的選擇是為了便于仿真和說明，而不是為了反映一個優(yōu)化的設(shè)置。在以下各節(jié)中，只修改了一個參數(shù)，并重新進(jìn)行了仿真，以說明該參數(shù)對系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的影響。

圖4. 參考直方圖

表2. 關(guān)鍵參數(shù)的影響概述

2. 激光脈波重復(fù)率

較高的激光脈波重復(fù)率可以提高直方圖的質(zhì)量，因?yàn)樗黾恿藛未螠y量的次數(shù)，使得在給定的采集時間內(nèi)可以檢測到更多返回的激光光子。隨著獲得更多的噪聲計數(shù)，最大噪聲峰值也會增加。但是，由于噪聲是不相關(guān)的，總體SNRH增加，如圖5所示?？梢赃x擇的最大激光重復(fù)率有一個上限，因?yàn)樵撝貜?fù)率限制了可不失真地測得的目標(biāo)距離。例如，如果300米是最大的測距目標(biāo)距離，那么可以使用1 MHz的最大重復(fù)率。如果100米是最大的目標(biāo)距離，那么可以使用3 MHz。

3. 激光脈波寬度

如圖6所示，較寬的激光脈波寬度會導(dǎo)致直方圖中較寬的訊號峰值。對于方形脈波，有必要對脈波的前緣進(jìn)行判別，以便只定位探測到的第一個光子的飛行時間。后續(xù)的光子并不攜帶有用的ToF信息。因此，較短的激光脈波是最佳的。然而，是否有合適的激光器可能是實(shí)際設(shè)置中的決定性因素。

圖5. 激光重復(fù)率的影響

圖6. 更寬的激光脈波寬度的影響

4. 激光波長

激光波長的選擇受到許多因素的影響，包括眼睛安全性和是否有特定波長的低成本激光器。激光波長的選擇也會影響測距性能，因?yàn)椴煌ㄩL下太陽輻照度和傳感器探測效率。對于一個受太陽噪聲影響的系統(tǒng)，可以選擇一個較長的波長，以利用太陽輻照度在較長波長下相應(yīng)減少。從圖8中的太陽輻照度模型可以看出這種效果。在激光波長為940納米時，建模的SiPM的PDE從約1%降低到約0.3%。保持所有其他參數(shù)不變，激光光子和環(huán)境光子的探測效率都會降低。對于這特定的設(shè)置，凈效應(yīng)是由于總計數(shù)減少而導(dǎo)致SNRH的降低，如圖7所示。當(dāng)然，如果選擇另一種SiPM，在關(guān)注的波長上具有更好的PDE，那么產(chǎn)生的直方圖訊號計數(shù)會更高，SNRH也會得到改善。同樣地，其他參數(shù)也可以修改，以補(bǔ)償減少的PDE。

圖7. 增加的波長對直方圖的影響

圖8. 太陽輻照度模型

5. 采集鏡頭光圈

當(dāng)鏡頭光圈擴(kuò)大時，更多的環(huán)境光子被探測到，而返回的激光光子數(shù)量保持不變。SiPM現(xiàn)在很容易出現(xiàn)飽和，這一點(diǎn)從圖9中直方圖窗口開始時的大過沖可以看出。當(dāng)傳感器飽和時，激光光子就不能再被SiPM檢測到，導(dǎo)致訊號檢測率降低，整體SNRH降低。

圖9. 增加的采集鏡頭光圈的影響

6. 傳感器的視角

傳感器的視角由傳感器的尺寸和采集鏡頭的焦距決定。當(dāng)傳感器的視角增加到20°時，入射到SiPM上的環(huán)境光會明顯增多。然后，它變得飽和，以至于系統(tǒng)無法辨別激光脈波，如圖10中的情況。關(guān)鍵是要限制傳感器的視角，使其只覆蓋激光的范圍，避免這種情況。

圖10. 增加的傳感器視角的影響

7.濾光片帶通

光學(xué)帶通濾波器用于限制由激光波長范圍以外的光產(chǎn)生的環(huán)境噪聲。在這種情況下，濾光器的帶通范圍是50納米FWHM（全寬半長）。這允許更多波長的環(huán)境光通過SiPM，增加了測量的背景噪聲，惡化了SNRH，如圖11所示。在模型中，激光波長正好只有905納米，獲得的激光訊號不受帶通FWHM的影響。在實(shí)際系統(tǒng)中，激光中心波長可能有比較大的差異，這可能對帶通濾波器的選擇有影響。

圖11. 更寬的傳感器光學(xué)帶通的影響

SiPM微單元尺寸

圖12中的直方圖顯示了MicroFC-10035 SiPM相較MicroFC-10020的仿真性能。主要的影響是，在關(guān)注的波長處，PDE略有增加，導(dǎo)致訊號略微提高，而噪聲的相應(yīng)增加較小。在這個測距距離和這個配置下，SiPM的這種變化對仿真直方圖沒有顯著影響。

圖12. 改變SiPM微單元尺寸的影響

9. 到目標(biāo)的距離

圖13中的圖迭加了距目標(biāo)10米、15米、20米和25米處的直方圖。X軸上的訊號峰的間距對應(yīng)于ToF=2*距離/c。隨著距離的增加，從激光器獲得的計數(shù)減少，因?yàn)閭鞲衅魃系募す夤庾用芏纫?/d2（其中d是傳感器與目標(biāo)的距離）減少，但環(huán)境噪聲保持不變，因?yàn)閺哪繕?biāo)擴(kuò)散回來的環(huán)境光子數(shù)量不隨距離變化。在30米處，使用這種配置已經(jīng)不可能進(jìn)行測距了。當(dāng)然，可以對配置進(jìn)行優(yōu)化，以便在這個距離上進(jìn)行測距（參考第15頁第3節(jié)的測距演示器建模到100米的設(shè)置，以模擬長距離的測距）。

圖13. 增加目標(biāo)距離的影響

10. 環(huán)境光

這里的環(huán)境光增加了10倍，達(dá)到100 klux。隨著打到傳感器上的環(huán)境光子數(shù)的增加和所有其他條件保持不變，每一次單次測量都會獲得更多的環(huán)境光子。整個畫面上每倉的噪聲計數(shù)相應(yīng)增加，SNRH受到負(fù)面影響。圖14顯示，10米處的峰值仍可辨認(rèn)，因此在此光照水平下，使用這種配置仍可進(jìn)行測距，但現(xiàn)在的測距能力將被降低。相反，在低環(huán)境光下，由于噪聲計數(shù)較低，SNRH將得到改善。

圖14. 增加環(huán)境光的影響

第一代測距演示儀說明

第一代測距演示儀(Gen1 Ranging Demonstrator) 是個評估系統(tǒng)，用于介紹使用SiPM傳感器進(jìn)行直接ToF測距。Gen1的特點(diǎn)是：

?光學(xué)接口，包括激光準(zhǔn)直透鏡、傳感器采集透鏡和帶通濾波器

? 激光二極管和驅(qū)動電路

? SiPM傳感器和鑒別器電路

? 基于FPGA的時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC），讀出和通信接口

? 基于PC的軟件。

圖15顯示了系統(tǒng)框圖。該演示器使用了一個905納米的激光二極管，脈波寬度為150ps，激光峰值功率高達(dá)2 W，激光脈波重復(fù)率為150 kHz。激光輸出訊號由一個發(fā)散角為0.06°的透鏡準(zhǔn)直。在接收器處，反射的訊號通過一個40毫米焦距的采集透鏡聚焦到傳感器上，該透鏡的孔徑為11.4毫米。傳感器的視角為1.4°。該訊號還被一個FWHM為10納米的光學(xué)帶通濾光器過濾。檢測訊號鏈包括SensL MicroFC10020-SMT SiPM、一個增益級和一個高速比較器，執(zhí)行前緣識別，以及脈波發(fā)生器電路。產(chǎn)生的脈波使用獨(dú)立的TDC或基于FPGA的TDC和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行時間標(biāo)記。采集的數(shù)據(jù)通過高速USB鏈路傳輸?shù)絇C軟件。系統(tǒng)軟件從獲得的數(shù)據(jù)中建立直方圖，并將其繪制出來進(jìn)行分析。曲線擬合算法提取ToF，如第6頁的測距直方圖部分所述。用軟件可調(diào)設(shè)置可選擇一系列的配置，以優(yōu)化系統(tǒng)用于各種應(yīng)用。該演示是可攜式的，由一個6 V電源供電。表3列出了Gen1系統(tǒng)參數(shù)的完整列表。

圖15. Gen1測距演示器原理框圖

表3. GEN1系統(tǒng)參數(shù)，傳感器與目標(biāo)的距離達(dá)5米

1. 第一代測距演示器的性能

第一代測距演示器的性能已測量了一些有著不同的目標(biāo)距離和環(huán)境光條件的用例。從0米到5米的實(shí)際測距數(shù)據(jù)如圖16所示，采用測距數(shù)據(jù)直方圖的形式，對比由此產(chǎn)生的測距和實(shí)際測距特性以及相關(guān)的測距誤差。表4總結(jié)了Gen1系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室250勒克斯環(huán)境光條件下，5米以內(nèi)的性能。

表4. Gen1系統(tǒng)在5m內(nèi)的性能摘要

圖16. Gen1系統(tǒng)在5m內(nèi)的基準(zhǔn)性能數(shù)據(jù)

圖17. 用Gen1 Ranging Demonstrator采集的數(shù)據(jù)

2. 使用Gen1系統(tǒng)測量結(jié)果對模型進(jìn)行驗(yàn)證

用演示器的系統(tǒng)參數(shù)對模型進(jìn)行配置，并在與目標(biāo)有相同距離和環(huán)境光的條件下進(jìn)行仿真。然后將仿真結(jié)果與測距演示器的測量結(jié)果進(jìn)行比較，如圖17和圖18所示，具有良好的相關(guān)性。這驗(yàn)證了該模型，并提供了為不同用例設(shè)計系統(tǒng)的方法。

圖18. MA TLAB模型仿真數(shù)據(jù)

將Gen1系統(tǒng)升級為測距達(dá)100米的Gen2系統(tǒng)

該模型隨后被用來開發(fā)一套系統(tǒng)參數(shù)，使Gen1系統(tǒng)升級到能夠達(dá)100米測距。這升級系統(tǒng)稱為Gen2系統(tǒng)。這些參數(shù)變化顯示在表5中。圖19顯示了仿真直方圖，圖20顯示了100米處的仿真測距分辨率，圖21顯示了在整個10米到100米范圍內(nèi)的測距，顯示了良好的線性度。表6總結(jié)了相應(yīng)的系統(tǒng)性能。在這個視頻中可以看到Gen2的運(yùn)行情況。

表5. 第二代升級版測距演示系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)