各有千秋的车规激光雷达背后的技术支撑(2)
目前,SiPM和SPAD技术已成为实现激光雷达系统中接收器功能的关键,这两种光电探测器类型均基于盖革模式(Geiger mode,只适用于单光子计数的模式),有助于实现符合车规、高增益、低成本、尺寸紧凑的传感器,适用于汽车长距离激光雷达的微光探测场景,提供业界最高灵敏度、最佳一致性和低噪声的产品。
通过对比可以看到,PIN二极管、APD阵列、SPAD阵列、SiPM阵列还是有很大不同。
激光雷达接收器功能比较
与已有APD产品相比,SiPM和SPAD技术具有高灵敏度(2000倍)、更高增益(1万倍)、更低供电电压(约32V)及最佳一致性等优势。另一个优势是一开始就从汽车认证入手设计光电探测器及其封装,并采用主流大批量CMOS工艺制造,成本低,可靠性高。除了光电探测器以外,安森美半导体还提供激光系统中符合车规的驱动芯片、电源芯片、放大器和读出芯片等整体系统硬件方案,以及经验证的激光雷达模型仿真数据等,有助于客户掌握新技术,让产品快速落地。
3月,安森美半导体发布了用于激光雷达应用的全球首款车规认证SiPM阵列ArrayRDM-0112A20-QFN,为激光雷达量产铺平了道路。它是一款单片1×12 SiPM像素阵列,可实现NIR高灵敏度,在905nm达到领先业界的18.5%的光子探测效率(PDE)。SiPM的高内部增益使其灵敏度可达到单光子水平,与高PDE结合可以检测最微弱的返回信号。即使是低反射率目标,也能探测到更远的距离(300米以上),为车辆赢得更多应对意外障碍的时间。
钱博士解释说,ArrayRDM-0112A20-QFN是单片线阵SiPM探测器,曝光采用的是全局快门方式,12个点完全独立,可以在给定时间里各自接受自己区域的光子后输出脉冲。
车规激光雷达芯片及评估板
据介绍,目前,一些主流激光雷达厂家都在积极引入采用SiPM探测器的激光雷达,已经有部分厂家开始量产。采用ArrayRDM-0112A20-QFN线阵芯片的激光雷达也将于今年量产。
安森美半导体还有一款400×100像素SPAD面阵阵列芯片Pandion,采用卷帘快门读出,不仅有图像信息,还可提供点云信息。全球包括中国知名激光雷达公司都在用这款器件开发产品,今年会有一些量产激光雷达上车。
Sense的“照明”模式很独特
年初,Sense Photonics展示了适于大众市场汽车应用的全球首款940nm全局快门闪光(像照明)激光雷达。Hod Finkelstein说:“我们已经实现了业内专家一度认为不可能实现的目标,并通过Sense Illuminator、Sense Silicon和我们最先进的信号处理技术创造了一个革命性的新架构,使数据输出小型化,一举解决了主机厂、Tier 1和Robotaxi公司一直以来担心的激光雷达功能不足的问题。”
Sense的所谓“照明”是让个VCSEL阵列同时闪光,照亮其SPAD接收器上的像素。安装在曲面上的VCSEL可扩大视野,30度水平场最大200米射程采用表面贴装扁平芯片实现。
Sense的芯片和VCSEL阵列
传统激光雷达是使用现成的激光组件,用红外线照亮一列或一排光点,然后以机械方式扫描场景,以覆盖所需的全部视野(FOV)。由于不能捕获全帧数据,必须跟踪每帧返回的每个像素的时间戳。如果高速车辆在该帧内移动,还要使用该信息来校正运动模糊。
传统方法扫描的不是所需视场,必须将激光光点移到整个视场以实现全覆盖。这会导致射程、分辨率、帧速率和视野之间的取舍,还增加了系统复杂性和昂贵的光学元件,在装配过程中需要繁琐的校准。因此,它高成本传感器的方案,还存在许多潜在故障点。
传统技术是依赖低效的边缘发射激光二极管或高成本光纤激光器,Sense的晶圆级制造的垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列可将每个芯片尺寸缩小到小于头发丝的宽度。其闪光架构无需在发射器与接收器之间进行精细对准,可在振动条件下保持传感器校准和深度精度。只需简单改变光学器件就能按需调节平台,是第一款能够以同一架构提供短距离和长距离功能的平台。
看看这些阵列是怎么构建的,首先在晶圆上生长数百万个VCSEL,然后使用微转移打印(MTP)专利技术在热传导柔性基板上一次“印刷”数千个VCSEL,能够输出千瓦的峰值光功率,同时保持Class 1眼睛安全,消耗平均功率非常小。
Illuminator还具有独特灵活属性,可通过控制其弯曲量来定制水平视野。阵列上每个芯片工作波长为940nm,其太阳通量输出非常小,可消除来阳光干扰。
文章来源:《小型内燃机与车辆技术》 网址: http://www.xxnrjycljs.cn/zonghexinwen/2021/0611/1015.html