據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，現(xiàn)有LiDAR（激光雷達(dá)）系統(tǒng)已被用于從安全應(yīng)用到測(cè)繪,，再到工業(yè)自動(dòng)化等各類創(chuàng)新應(yīng)用,。其中，汽車市場(chǎng)對(duì)LiDAR系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用尤其關(guān)注,。LiDAR掃描儀是自動(dòng)駕駛汽車原型系統(tǒng)的關(guān)鍵組件,，也是當(dāng)前交通標(biāo)志識(shí)別、自適應(yīng)巡航控制（ACC）,、盲點(diǎn)檢測(cè),、防撞系統(tǒng)和車道偏離警告等系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件。

　　在上述所有基于LiDAR的系統(tǒng)中,，有一種核心組件不可或缺,，那便是LiDAR系統(tǒng)的“智慧之眼”——探測(cè)器。

　　本文旨在簡(jiǎn)析LiDAR系統(tǒng)原始設(shè)備制造商（OEM）設(shè)計(jì)工程師在各種探測(cè)器技術(shù)中如何做出選擇,。

　　背景

　　汽車LiDAR系統(tǒng)必須能夠快速可靠地感知車輛周圍環(huán)境,，盡可能細(xì)節(jié)豐富地創(chuàng)建周圍環(huán)境和前方道路的3D圖像。安裝在快速行駛車輛上的LiDAR系統(tǒng),，需要能夠“看到”前方至少150 m的距離,，并探測(cè)高度小至10 cm的障礙物,。

　　汽車LiDAR掃描系統(tǒng)示意圖

　　上述要點(diǎn)對(duì)LiDAR系統(tǒng)的探測(cè)器，提出了極具挑戰(zhàn)的技術(shù)要求,。

　　因而LiDAR系統(tǒng)需要互補(bǔ)但又獨(dú)立的探測(cè)器系統(tǒng),，同時(shí)能夠確保環(huán)境認(rèn)證和功能安全性。例如,，為了適應(yīng)來(lái)自系統(tǒng)其他組件的熱量和環(huán)境溫度,，設(shè)備的額定工作溫度需要達(dá)到-40 ~ 125 ℃。并且,，為了能夠在各種背景噪音中準(zhǔn)確“看到并識(shí)別”信號(hào),，探測(cè)器應(yīng)具有理想的信噪比。此外,，光學(xué)探測(cè)器還需要做好處理不同強(qiáng)度環(huán)境光的準(zhǔn)備,，因此要求探測(cè)器必須具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍。

　　除了基本的物理定律,，LiDAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還需要考慮經(jīng)濟(jì)性,。汽車中的所有組件都需要成本效益。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用,，最佳的性價(jià)比是先進(jìn)技術(shù)能否成功應(yīng)用的關(guān)鍵,。

　　目前，基本所有采用遠(yuǎn)距離LiDAR的現(xiàn)有汽車系統(tǒng)都應(yīng)用了“掃描型”LiDAR設(shè)備,，可以在整個(gè)場(chǎng)景中移動(dòng)掃描激光束,。當(dāng)前技術(shù)的有效探測(cè)范圍一般為30~300 m。幾乎所有的LiDAR系統(tǒng)都使用了905 nm激光器（市場(chǎng)上也有部分企業(yè)如Blackmore,、Neptec,、Aeye和Luminar則正在研究應(yīng)用1550 nm波長(zhǎng)的激光器），該波長(zhǎng)的激光器可以低成本地批量制造,，發(fā)射非可見光高功率短脈沖光束（例如,，75 W峰值持續(xù)5 ns），提供了理想的功率/成本比,。這些激光器已被廣泛應(yīng)用于先進(jìn)的低成本硅探測(cè)器,。

　　選擇最合適的探測(cè)器技術(shù)

　　隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,，設(shè)計(jì)工程師可以為L(zhǎng)iDAR系統(tǒng)選擇多種不同的探測(cè)器技術(shù),，每種技術(shù)都有各自的利弊。

　　硅PIN二極管探測(cè)器

　　這類硅基探測(cè)器具有三種類型（P型/本征/N型）半導(dǎo)體層疊在一起形成的結(jié)構(gòu),。

　　它們具有最佳的動(dòng)態(tài)范圍,，可以處理大幅變化的光。例如,，即使面對(duì)陽(yáng)光直射,，它們也能夠探測(cè)遠(yuǎn)處物體的反射,。而且，它們相對(duì)經(jīng)濟(jì),。

　　不過(guò),，它們沒有能力提供大多數(shù)復(fù)雜汽車LiDAR系統(tǒng)所需要的高水平信噪比和帶寬。最后,，它們的速度既不快也不夠靈敏,。

　　硅光電倍增管（SiPM）和單光子雪崩二極管（SPAD）探測(cè)器

　　這些固態(tài)硅基探測(cè)器的制造商，最初是為專業(yè)的小型醫(yī)療和科研應(yīng)用而打造的,。近來(lái),，它們正積極嘗試在更大的LiDAR市場(chǎng)中尋求應(yīng)用。

　　雖然這類探測(cè)器在功能性方面類似APD（雪崩光電二極管,，下文討論）,，但它們針對(duì)極高的內(nèi)部放大或增益進(jìn)行了優(yōu)化，使它們能夠檢測(cè)極微弱的光,。并且,，它們的速度非常快,。最后,，它們與常用的CMOS技術(shù)兼容，因此可以在同一芯片上與相關(guān)電子器件耦合,。

　　然而,，與APD的靈敏度相比，這類探測(cè)器的單光子計(jì)數(shù)器的靈敏度相當(dāng)?shù)?。因此,，他們必須依靠極高的多級(jí)倍增。遺憾的是,，在倍增過(guò)程中,，同時(shí)也提高了噪聲，這通常會(huì)顯著降低探測(cè)器的信噪比,。此外,，它們的放大機(jī)制也會(huì)遭受到由高溫引起的誤觸發(fā)。

　　據(jù)推測(cè),，這類探測(cè)器最關(guān)鍵的缺點(diǎn)是它們的高增益是以飽和問(wèn)題為代價(jià)的,。

　　首先，LiDAR探測(cè)器需要處理從前方物體反射回來(lái)的激光,。不僅如此,，一些LiDAR系統(tǒng)指定要求寬視場(chǎng)的掃描器。這為SPAD或SiPM探測(cè)器增加了大量的光線。此外,，LiDAR系統(tǒng)在移動(dòng)環(huán)境中經(jīng)常遇到的某些狀況（例如對(duì)方車輛遠(yuǎn)光燈,、明亮的陽(yáng)光或其他LiDAR系統(tǒng)），可能會(huì)使探測(cè)器面對(duì)超過(guò)其處理能力的情況而飽和,，即使使用光學(xué)濾波器也會(huì)如此,。

　　這類探測(cè)器通過(guò)不斷的開發(fā)克服缺陷，已常用于各類不同的LiDAR應(yīng)用,。然而,，到目前為止，其飽和問(wèn)題和上述其他挑戰(zhàn),，使它們無(wú)法成為遠(yuǎn)距離掃描LiDAR的首選探測(cè)器,。

　　各種探測(cè)器技術(shù)對(duì)比

　　InGaAs（銦鎵砷）光電二極管探測(cè)器

　　這類探測(cè)器通常以小尺寸用于數(shù)據(jù)通信和電信應(yīng)用，但除了專門的航空航天或軍事應(yīng)用之外,，最近才開始應(yīng)用于LiDAR系統(tǒng),。該技術(shù)不同于傳統(tǒng)的InGaAs材料硅基結(jié)構(gòu)。

　　由于該類探測(cè)器激光系統(tǒng)常常專門針對(duì)更高波長(zhǎng)的光譜（1550 nm,，本文中討論的其它探測(cè)器為905 nm）而設(shè)計(jì),，因此該技術(shù)靈敏度更高，并可實(shí)現(xiàn)更高的功率,。因此,，與大多數(shù)其它探測(cè)器相比，InGaAs光電二極管能夠開發(fā)探測(cè)距離更遠(yuǎn)的汽車LiDAR系統(tǒng),。

　　然而,，即使面對(duì)幾乎可以忽略地高于正常環(huán)境的溫度，InGaAs探測(cè)器的性能也會(huì)顯著降低,。因此,，即使在溫和氣候下，這類探測(cè)器也可能需要專門的外部冷卻系統(tǒng),。

　　此外,，與大量使用的硅基板相比，其基礎(chǔ)材料成本更高,。而且,，用于LiDAR系統(tǒng)的大尺寸InGaAs探測(cè)器，其制造將比硅設(shè)計(jì)復(fù)雜得多,。到目前為止,，還無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)量產(chǎn)。

　　最后,，由于這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于汽車LiDAR領(lǐng)域來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)新技術(shù),，當(dāng)試圖圍繞InGaAs探測(cè)器構(gòu)建創(chuàng)新的LiDAR系統(tǒng)時(shí)，OEM必須為花費(fèi)更大的精力,、時(shí)間和成本而做好準(zhǔn)備,。

　　雪崩光電二極管（APD）探測(cè)器

　　這類硅基光電探測(cè)器主要用于工業(yè)和軍事應(yīng)用。它們的運(yùn)行原理是通過(guò)允許進(jìn)入的光子促發(fā)電荷雪崩,，然后通過(guò)其內(nèi)部放大機(jī)制倍增增益,。通過(guò)吸收優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，它們能夠?qū)⒓す馄鹘?0%的905 nm反射光轉(zhuǎn)換成光電流,，帶來(lái)了大輻提高的靈敏度,。

　　除了突出的靈敏度，APD還具有最小的飽和度,、理想的信噪比和高速優(yōu)勢(shì),。它們也是市場(chǎng)上成本最低的探測(cè)器技術(shù)之一。

　　APD的一個(gè)潛在缺點(diǎn)是它們使用了與普通CMOS制造不兼容的專用雙極技術(shù),。因此,，僅有少數(shù)幾家供應(yīng)商可以供貨。而且,，它們無(wú)法與相關(guān)的CMOS器件在同一芯片上集成,。

　　不過(guò)，探測(cè)器和電子器件的封裝,，可以由經(jīng)驗(yàn)豐富的供應(yīng)商在芯片上彼此靠近的完成,。兩者都可以在沒有任何影響的情況下獲得增強(qiáng)，以獲得最高性能,。例如,，專門設(shè)計(jì)的跨阻抗放大器（TIA）具有定制的增益和帶寬，可用于APD探測(cè)器陣列的補(bǔ)充（將光電流轉(zhuǎn)換為電壓,，并調(diào)節(jié)進(jìn)入系統(tǒng)的信號(hào)以提高增益）,。這可以改善器件性能，尤其是在低光照條件下,。

　　APD采用標(biāo)準(zhǔn)的,、高生產(chǎn)率的商業(yè)化生產(chǎn)工藝制造，并且已經(jīng)在廣泛的系統(tǒng)中證明了它們的性能,。

　　重要的是,，當(dāng)以適當(dāng)?shù)姆绞竭\(yùn)行時(shí)，它們結(jié)合了有目共睹的性能和極具吸引力的成本優(yōu)勢(shì),。

目前,，APD是汽車遠(yuǎn)距離LiDAR系統(tǒng)的首選探測(cè)器，是幾款現(xiàn)有最復(fù)雜自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的關(guān)鍵組件,。

　　雪崩光電二極管（APD）探測(cè)器

　　選擇最優(yōu)的探測(cè)器供應(yīng)商

　　在確定了合適的探測(cè)器技術(shù)后,，LiDAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)商在選擇合適的探測(cè)器供應(yīng)商時(shí)，仍然面臨不少困難。

　　非常有必要謹(jǐn)慎地評(píng)估候選供應(yīng)商,，他們是否有潛力,、技術(shù)和能力使其系統(tǒng)和探測(cè)器適應(yīng)OEM的個(gè)性化需求和市場(chǎng)需求？他們是否會(huì)與OEM團(tuán)隊(duì)密切合作進(jìn)行設(shè)計(jì),、生產(chǎn)和調(diào)度,，以確保贏得上市時(shí)間？

　　強(qiáng)調(diào)經(jīng)驗(yàn)

　　如果探測(cè)器供應(yīng)商需要花時(shí)間加速其開發(fā),、生產(chǎn),、汽車產(chǎn)品認(rèn)證和其他流程，那么LiDAR系統(tǒng)OEM將在加速產(chǎn)品上市方面落敗,。

　　探測(cè)器供應(yīng)商需要通過(guò)相關(guān)工作獲得經(jīng)驗(yàn),。一家好的候選供應(yīng)商，應(yīng)該已經(jīng)將他們的探測(cè)器/傳感器技術(shù)用于車輛應(yīng)用,。這包括量身定制的標(biāo)準(zhǔn)APD設(shè)計(jì),；量身定制的標(biāo)準(zhǔn)封裝、芯片以及模組工程和制造,；以及頂級(jí)電子器件,。

　　一家完美的供應(yīng)商需要有確定的、良好的市場(chǎng)供應(yīng)記錄,，已經(jīng)有相關(guān)產(chǎn)品被領(lǐng)先的LiDAR系統(tǒng)OEM采用,，例如汽車級(jí)APD和相關(guān)電子器件。

　　評(píng)估集成制造能力

　　LiDAR設(shè)計(jì)人員必須優(yōu)先考慮具有合適技術(shù)優(yōu)勢(shì)的供應(yīng)商,，例如最高的靈敏度和最低的噪音,。然而，他們還需要尋覓那些對(duì)其領(lǐng)域具有整體控制能力的探測(cè)器制造商,。

　　將整個(gè)制造過(guò)程作為一個(gè)連續(xù)的整體實(shí)施非常重要（從芯片加工到探測(cè)器系統(tǒng)的預(yù)制）,。如果供應(yīng)商能夠自己在內(nèi)部制造所有重要元件，則可以確保所有OEM產(chǎn)品的長(zhǎng)期供貨,，用于支持售后服務(wù)市場(chǎng)和批量生產(chǎn),。

　　考核定制化能力

　　要想作為一家成功的LiDAR系統(tǒng)制造商脫穎而出，實(shí)現(xiàn)最佳的性價(jià)比至關(guān)重要,，這有助于在這個(gè)過(guò)度擁擠的市場(chǎng)形成差異化優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)成市售的探測(cè)器可能就無(wú)法滿足要求了。因而,，相關(guān)組件通常必須是量身定制的,，以便完全適合所選擇的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　系統(tǒng)制造商必須找到一家響應(yīng)能力和機(jī)動(dòng)性很強(qiáng)的探測(cè)器供應(yīng)商,。在許多情況下,，探測(cè)器供應(yīng)商必須與OEM設(shè)計(jì)人員合作,，為探測(cè)器和相關(guān)電子器件進(jìn)行量身定制，以便與其它系統(tǒng)盡可能的實(shí)現(xiàn)一體化,，從而獲得最佳的系統(tǒng)性能,。

　　例如：設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須建立適合特定透鏡的探測(cè)器幾何形狀、優(yōu)化尺寸,，以及適應(yīng)每種獨(dú)特光學(xué)設(shè)計(jì)的配置。此外,，還必須確定理想的信道數(shù)（并行接收的信號(hào)數(shù)量）,，以提高LiDAR掃描儀的空間分辨率。而且,，還應(yīng)該為電子器件和探測(cè)器之間的最短接口,，量身定制封裝方案。

　　最后,，一家優(yōu)秀的供應(yīng)商必須能夠提供具有復(fù)雜技術(shù)優(yōu)勢(shì)的探測(cè)器,，例如多像素同質(zhì)性。在實(shí)際使用中,，非同質(zhì)性和/或不同來(lái)源的光電二極管對(duì)環(huán)境溫度的反應(yīng)不同,，從而大大降低了LiDAR掃描儀的性能。另一方面,，即使在峰值距離處,，多像素同質(zhì)性也可以提供最嚴(yán)格的信號(hào)信息分布。

　　審核車規(guī)級(jí)認(rèn)證

　　優(yōu)秀的探測(cè)器供應(yīng)商應(yīng)該早就意識(shí)到“上路”所需要滿足的法規(guī)要求,。他們應(yīng)該具備最新的穩(wěn)健性驗(yàn)證,、汽車認(rèn)證、特性規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),。

　　例如ISO/TS16949汽車認(rèn)證的生產(chǎn)和測(cè)試,，以及AEC-Q 102和104汽車認(rèn)證的APD陣列封裝。供應(yīng)商應(yīng)能夠?qū)⑦@些及其他適合的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于其所有組件和制造,，遵守法規(guī)并協(xié)助系統(tǒng)OEM規(guī)避責(zé)任,。

　　增加監(jiān)管是不可避免的。供應(yīng)商應(yīng)通過(guò)文檔記錄的最佳規(guī)范,，證明其法規(guī)遵守情況,，例如福特汽車公司在其Q計(jì)劃中開創(chuàng)的嚴(yán)格的自我認(rèn)證。

　　確保未來(lái)的持續(xù)支持

　　供應(yīng)商還必須展示其良好的質(zhì)量跟蹤記錄和產(chǎn)品交付能力,，以及從初始開發(fā)到維護(hù)服務(wù)的有力支持,。

　　在LiDAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初就應(yīng)考慮探測(cè)器的設(shè)計(jì)。探測(cè)器供應(yīng)商越早參與,，OEM的整個(gè)設(shè)計(jì)/制造過(guò)程就越容易,、進(jìn)展越快,，所得到的LiDAR系統(tǒng)的性能就越好。

　　最后,，供應(yīng)商必須始終密切關(guān)注這個(gè)快速變化的領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展,。杰出的探測(cè)器制造商應(yīng)該擁有預(yù)期法規(guī)監(jiān)管、業(yè)務(wù)和技術(shù)進(jìn)步的創(chuàng)新路線圖,，以為L(zhǎng)iDAR系統(tǒng)制造商在這個(gè)快速變化的市場(chǎng)中指引方向,。

　　結(jié)語(yǔ)

　　LiDAR系統(tǒng)的核心之一是探測(cè)器。系統(tǒng)設(shè)計(jì)商需要從眾多競(jìng)爭(zhēng)探測(cè)器技術(shù)中做出合適的選擇,。許多設(shè)計(jì)工程人員相信,，APD探測(cè)器最好地結(jié)合了成本和性能優(yōu)勢(shì)。LiDAR系統(tǒng)制造商在探測(cè)器供應(yīng)商選擇方面,，也應(yīng)該全面的考量各種因素,，例如定制化能力、經(jīng)驗(yàn)以及汽車級(jí)應(yīng)用認(rèn)證等,。

　　LiDAR系統(tǒng)和其它移動(dòng)技術(shù)正在不斷發(fā)展,，選擇正確的探測(cè)器技術(shù)顯然是最重要的第一步。