發布日期：2022-04-20 點擊率：88
前言
LiDAR是一種測距技術，正越來越多地用于移動測距、汽車ADAS（先進駕駛輔助系統）、手勢識別和3D繪圖等應用。與雪崩光電二極管(APD)、PIN二極管和PMT等替代性傳感器技術相比，采用硅光電倍增管(SiPM)作為光敏傳感器有許多優勢，特別是對于移動和大批量產品而言。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--易于實現系統要求
?低功耗--較低的工作電壓和簡單的讀出電子裝置實現低功耗設計
?高帶寬和快速響應時間—最小化測距時間
?能夠利用低激光功耗直接ToF測距技術的優勢
?低噪聲和高增益--可實現好的信噪比（SNR）
?標準CMOS制造工藝--成本低，高度一致性，可擴展生產
?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的優勢，并盡快實現采用SiPM傳感器的工作設置。
為此，安森美創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。
?我們創建了一個直接ToF系統的詳細MATLAB模型，以便于仿真基于SiPM的測距應用。該模型可用于支持測距系統的設計，并可進行修改以仿真各種應用和實施。
?一個基于SiPM的LiDAR演示系統已建成。對這個 "第一代 "系統進行了測量，并用于驗證MATLAB模型的仿真結果。
?本文文件旨在幫助新用戶開發基于SiPM的直接ToF測距系統。它討論了各種系統和環境因素對所產生的信噪比的影響。
直接ToF測距系統的設計
一個直接的ToF測距系統所需的基本組件，如圖1所示
1. 一個帶有準直光學系統的脈波激光器
2. 一個帶有檢測光學組件的傳感器
3. 計時和數據處理電子裝置
本文檔聚焦激光器、傳感器、讀出器和應用環境的系統設計。本白皮書中的單點、直接ToF基線工作可以擴展到更復雜的掃描和成像系統。在直接ToF技術中，一個周期性的激光脈波被指向目標，通常采用對眼睛安全的紅外區功率和波長。目標擴散并反射激光光子，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）轉換為電訊號，然后由計時電子裝置進行時間標記。這個飛行時間t，可用來計算到目標的距離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（環境光）中區分出來。每個激光脈波至少捕獲一個時間標記。這稱為單次測量。結合許多單次測量的數據以產生一個測量值，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可從檢測到的激光光子脈波中獲取計時信息，總結如下：
測距讀出技術
?LED（前緣識別）--涉及對多光子訊號的上升沿的檢測。計時的準確性是由辨別返回的光訊號的上升沿的能力決定的。這種技術不受激光脈波寬度的影響。
?全波形數字化--全波形被數字化，可以過采樣以提高精度。對于短激光脈波或高重復率源來說，可能難以實現。
?TCSPC（時間相關的單光子計數）--提供最高的精度和最大的環境光抑制。這種技術要求每個激光脈波檢測不到一個訊號光子。這種技術可以不受環境光的影響，但需要短脈波時間、高重復率和快速計時電子裝置，以實現快速和準確的測量。
?SPSD（單光子同步檢測）--TCSPC的一種形式，提供高環境光抑制。必須設計電子裝置來處理范圍模糊的問題。
圖1. 直接ToF測距技術概覽
建模一個直接ToF測距系統
我們創建了一個直接ToF系統的MATLAB模型。該模型的框圖如圖2所示。該模型給定一組與表1中所示相似的系統參數，目的是預測系統的整體性能。第一步包括分析計算傳感器的光照度（包括環境光和激光），給定一個選定的光學場景，可以通過改變相應的系統參數來改變。通過比較計算出的光照度與傳感器的飽和極限，可以驗證所選擇的設置是否適合測距。在特定設置不適合測距的情況下，可以通過改變系統參數來評估設置本身的改進。該模型的第二部分包括一個Monte Carlo 仿真器，其中傳感器的隨機特性，主要是光子探測效率（PDE）和時間抖動，被再現。這一步允許通過仿真獲得傳感器的現實輸出。與分析部分相比，這一步考慮到了計時信息，如采集時間、激光的重復率和激光脈波寬度。Monte Carlo 仿真的結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（時間到數字轉換器），它產生一個時間戳的柱狀圖，從中可以提取一個范圍測量。
圖2. 光照度的計算結合Monte Carlo 仿真器，從而可以再現完整的系統輸出。
表1. SiPM直接ToF測距系統中的變量
測距直方圖
每次發出激光脈波時，采集系統都會進行一次單次測量。取決于許多因素，包括激光功率和與目標的距離，每個脈波檢測到的激光光子數量可能很低。理想情況下，每個檢測到的光子都會用時間標記。但每個單次測量的時間標記數量可能受到TDC死區時間的限制。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記，結合起來可產生一幀。在一幀過程中獲得的完整計時數據可以以直方圖的形式繪制出來，如圖3所示。系統測距性能受到直方圖數據質量的限制，而直方圖又受到系統參數的影響。從第7頁 "改變系統變量的影響 "一節中詳述的系統參數分析中可以看出，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對所采集數據的影響是很有用的。基本直方圖訊號和計時參數說明如下。
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，以下術語適用于測量時間： f = 激光頻率
激光重復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。較大的幀大小可以提高SNRH，產生更好質量的直方圖。測距速度由幀率定義：幀率=每秒測距次數=1/ tacq
圖3. 顯示訊號、噪聲和飛行時間的仿真直方圖實例
改變系統變量的影響
系統設計參數將根據特定應用的要求而變化。本節的目的是利用直接ToF測距系統的模型，證明采集的數據是如何受到七個關鍵參數的影響。也體現與目標的距離和環境光照度的影響。關鍵點總結在表2中。以下各節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據集。為了計算速度，所顯示的直方圖對應于一個較短的采集時間。
1. 參考直方圖
圖4顯示了在右側藍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，以顯示替代系統參數值的影響。以下分析中所使用的系統參數是為了提供一個典型的5米測距應用的參考點。一些參數的選擇是為了便于仿真和說明，而不是為了反映一個優化的設置。在以下各節中，只修改了一個參數，并重新進行了仿真，以說明該參數對系統采集數據的影響。
圖4. 參考直方圖
表2. 關鍵參數的影響概述
2. 激光脈波重復率
較高的激光脈波重復率可以提高直方圖的質量，因為它增加了單次測量的次數，使得在給定的采集時間內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，最大噪聲峰值也會增加。但是，由于噪聲是不相關的，總體SNRH增加，如圖5所示。可以選擇的最大激光重復率有一個上限，因為該重復率限制了可不失真地測得的目標距離。例如，如果300米是最大的測距目標距離，那么可以使用1 MHz的最大重復率。如果100米是最大的目標距離，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行判別，以便只定位探測到的第一個光子的飛行時間。后續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際設置中的決定性因素。
圖5. 激光重復率的影響
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，因為不同波長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，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%。保持所有其他參數不變，激光光子和環境光子的探測效率都會降低。對于這特定的設置，凈效應是由于總計數減少而導致SNRH的降低，如圖7所示。當然，如果選擇另一種SiPM，在關注的波長上具有更好的PDE，那么產生的直方圖訊號計數會更高，SNRH也會得到改善。同樣地，其他參數也可以修改，以補償減少的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
當鏡頭光圈擴大時，更多的環境光子被探測到，而返回的激光光子數量保持不變。SiPM現在很容易出現飽和，這一點從圖9中直方圖窗口開始時的大過沖可以看出。當傳感器飽和時，激光光子就不能再被SiPM檢測到，導致訊號檢測率降低，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。當傳感器的視角增加到20°時，入射到SiPM上的環境光會明顯增多。然后，它變得飽和，以至于系統無法辨別激光脈波，如圖10中的情況。關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
光學帶通濾波器用于限制由激光波長范圍以外的光產生的環境噪聲。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。在實際系統中，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，在關注的波長處，PDE略有增加，導致訊號略微提高，而噪聲的相應增加較小。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. 到目標的距離
圖13中的圖迭加了距目標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于ToF=2*距離/c。隨著距離的增加，從激光器獲得的計數減少，因為傳感器上的激光光子密度以1/d2（其中d是傳感器與目標的距離）減少，但環境噪聲保持不變，因為從目標擴散回來的環境光子數量不隨距離變化。在30米處，使用這種配置已經不可能進行測距了。當然，可以對配置進行優化，以便在這個距離上進行測距（參考第15頁第3節的測距演示器建模到100米的設置，以模擬長距離的測距）。
圖13. 增加目標距離的影響
10. 環境光
這里的環境光增加了10倍，達到100 klux。隨著打到傳感器上的環境光子數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境光子。整個畫面上每倉的噪聲計數相應增加，SNRH受到負面影響。圖14顯示，10米處的峰值仍可辨認，因此在此光照水平下，使用這種配置仍可進行測距，但現在的測距能力將被降低。相反，在低環境光下，由于噪聲計數較低，SNRH將得到改善。
圖14. 增加環境光的影響
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，用于介紹使用SiPM傳感器進行直接ToF測距。Gen1的特點是：
?光學接口，包括激光準直透鏡、傳感器采集透鏡和帶通濾波器
? 激光二極管和驅動電路
? SiPM傳感器和鑒別器電路
? 基于FPGA的時間-數字轉換器（TDC），讀出和通信接口
? 基于PC的軟件。
圖15顯示了系統框圖。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2 W，激光脈波重復率為150 kHz。激光輸出訊號由一個發散角為0.06°的透鏡準直。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，執行前緣識別，以及脈波發生器電路。產生的脈波使用獨立的TDC或基于FPGA的TDC和數據采集系統進行時間標記。采集的數據通過高速USB鏈路傳輸到PC軟件。系統軟件從獲得的數據中建立直方圖，并將其繪制出來進行分析。曲線擬合算法提取ToF，如第6頁的測距直方圖部分所述。用軟件可調設置可選擇一系列的配置，以優化系統用于各種應用。該演示是可攜式的，由一個6 V電源供電。表3列出了Gen1系統參數的完整列表。
圖15. Gen1測距演示器原理框圖
表3. GEN1系統參數，傳感器與目標的距離達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距離和環境光條件的用例。從0米到5米的實際測距數據如圖16所示，采用測距數據直方圖的形式，對比由此產生的測距和實際測距特性以及相關的測距誤差。表4總結了Gen1系統在實驗室250勒克斯環境光條件下，5米以內的性能。
表4. Gen1系統在5m內的性能摘要
圖16. Gen1系統在5m內的基準性能數據
圖17. 用Gen1 Ranging Demonstrator采集的數據
2. 使用Gen1系統測量結果對模型進行驗證
用演示器的系統參數對模型進行配置，并在與目標有相同距離和環境光的條件下進行仿真。然后將仿真結果與測距演示器的測量結果進行比較，如圖17和圖18所示，具有良好的相關性。這驗證了該模型，并提供了為不同用例設計系統的方法。
圖18. MA TLAB模型仿真數據
將Gen1系統升級為測距達100米的Gen2系統
該模型隨后被用來開發一套系統參數，使Gen1系統升級到能夠達100米測距。這升級系統稱為Gen2系統。這些參數變化顯示在表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米范圍內的測距，顯示了良好的線性度。表6總結了相應的系統性能。在這個視頻中可以看到Gen2的運行情況。
表5. 第二代升級版測距演示系統的系統參數
圖19. 使用Gen2系統參數對100米遠的目標進行測距仿真的直方圖
圖20. 在100米處的測距，使用表5中的Gen2系統參數和給定的參數
圖21. 使用Gen2系統參數仿真對10米至100米目標的測距數據，顯示出良好的線性度
表6. GEN2測距儀的仿真性能，用于達100米的測距（100 KLUX，環境光，LED，150KHZ）。
更多幫助
1. 測距演示儀說明 - 本文檔描述了測距演示儀的規格和工作。該演示器是個工程原型。其目的是在測距應用中演示SiPM技術，并對將來設計的建模提供回饋。
2. SiPM簡介 - 本文檔為剛接觸這種類型傳感器的人介紹了硅光電倍增管的基本概念。
3. 如何評估和比較SiPM傳感器 - 本文檔探討了選擇最佳SiPM時需要考慮的一些主要因素。
4. C-系列數據表 - 本文文件中使用的傳感器數據表。
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