激光雷达(LiDAR)近年来，越来越多的测距技术被用于汽车先进的驾驶辅助系统(ADAS)、手势识别和3D映射等应用。尤其在汽车领域，随着传感器融合的趋势，LiDAR结合成像、超声波、毫米波雷达，为汽车提供全方位的感知，为更安全的自动驾驶铺平道路。在单光子雪崩二极管中，安森美半导体提供了这一系列传感器方案，技术遥遥领先(SPAD)硅光电倍增管(SiPM)传感器技术是提供完整的市场领导者之一LiDAR该方案包括系统、传感器、输出和激光驱动方案。
安森美半导体完整LiDAR方案
1个LiDAR该系统有六个主要的硬件功能块：传输、接收、光束转向、光学器件、输出和电源管理。典型的LiDAR如图1所示，系统框图。安森美半导体可以提供SiPM/SPAD、激光驱动器参考设计、电源管理、及时放大处理、直方图、点云生成甚至系统。成熟的模拟SiPM C系列产品，J系列、R系列。系统有SiPM 阵列扫描LiDAR 演示仪(超过100 m扫描距离)，把SiPM 与图像传感器集成FUSEONE、最新的400 x 100 SPAD 阵列Pandion。
图1：典型的LiDAR系统框图
什么是SPAD、SiPM和ToF
SPAD盖革模式是一种工作(Geiger Mode)的光电二极管，就像光子触发开关一样，处于“开”或“关”状态。SiPM是由多个独立的SPAD每个传感器都有自己的淬灭电阻，以克服单个传感器SPAD多个光子的不足不能同时测量。飞行时间(ToF)指向目标发送光脉冲，然后传感器接收从目标返回的光所需的时间。通过光速和ToF，目标距离的概念很简单，但在现实世界中却面临着诸多挑战，包括光照条件、低反射率目标、长距离等恶劣环境。目前有两种ToF测量技术：单激光脉冲法和多激光脉冲法。单激光脉冲法是指每次测量单脉冲返回时间，要求高信噪比(SNR)。多激光脉冲法是指通过直方图数据每次测量多个脉冲返回的时间来获得距离。SNR可实现更远距离的探测。ToF LiDAR可用于机器人、无人机、工业、移动、汽车等多种应用ADAS和自动驾驶，增强现场(AR)/虚拟实境(VR)等。
SiPM和SPAD成为新兴的LiDAR探测器
SiPM和SPAD2000超过2000 m、5%的低反射率目标也可以在明亮的阳光下工作，分辨率极佳，尽可能小的光圈和固态设计可以将紧凑的系统集成到汽车中，具有巨大的成本优势，正在成为一种新兴产品LiDAR探测器。
汽车LiDAR传感器要求
1. 严格的一致性
由于SiPM/SPAD在盖革模式下工作，很难控制产品的一致性。安森美半导体是世界上真正有能力批量生产的SiPM数百万传感器的电压和增益与产品供应商非常一致，易于系统校准，降低制造成本。
2. 符合车规(IATF 16949、AEC Q102、-40至1050C符合工作温度PPAP)
安森美半导体在汽车生产方面积累了多年的专业经验，拥有非常完善的汽车规格产品质量监督控制体系。传感器和包装设计从一开始就考虑了汽车认证。
3. 在905 nm光子探测率处高(PDE)
安森美半导体SiPM现在同类最好PDE，超过12%，2020年将达到30%。
4. 高增益
SiPM雪崩光电二极管的增益是(APD)的1万倍，是PIN串扰二极管的100万倍<提供优秀的SNR。
SiPM 阵列扫描LiDAR 系统
该SiPM 阵列扫描LiDAR含16个905 nm 激光二极管，1个机电旋转镜用于光束转向，导体单片1 x 16 SiPM 电子设备的阵列和处理，视角(AoV) 80°x 5.53°，脉宽1 ns，系统峰值功率400 W，系统尺寸22 cm x 18 cm x 13 cm。这系统采用1D同时，阵列采样多个垂直点，结合水平单轴扫描，可获得视场的完整图像，实现长距离低反射率目标的实时成像。
FUSEONE系统：集成图像和LiDAR
FUSEONE基于200万像素的汽车级图像传感器SiPM的闪光LiDAR，将相机与软件应用程序相结合LiDAR，获取目标距离、移动速率等数据，高灵敏度SiPM 探测器和幻影智能算法可以提高距离能力。由于没有机械雷达扫描，FUSEONE成本优势极大。8个系统SiPM和2个905 nm激光二极管，脉宽20 ns，峰值功率80 W，接收器的光路径为43 nm带滤波器，Xilinx FPGA 用于边缘处理全波形采集，AoV 为25° x 3.6°，在户外20 klux在光照条件下，行人检测达到45 m，汽车检测达85 m。
Pandion SPAD阵列实现长距扫描LiDAR
400×100 SPAD 阵列具有CMOS 逻辑器件，阵列尺寸14 mm × 3 mm，像素间距38.6 um，卷帘快门读取(100通道并行读取)，被动淬灭主动复位(PQAR)特性可获得<5 ns恢复时间，击穿电压达3.3 V以上。与传统的点云不同，Pandion SPAD LiDAR已形成图像。
图2：Pandion探测不同距离不同反射率的目标
图3：Pandion光子计数获得的强度图像
图4：Pandion强度图像在微光水平下
总结
SiPM和SPAD技术是实现LiDAR安森美半导体是这些技术的市场领导者，基于盖革雪崩模式的原理，实现了紧凑、高增益的传感器，提供了完整的服务LiDAR方案，包括SiPM传感器、SiPM 阵列扫描LiDAR系统、融合SiPM闪光LiDAR和图像的FUSEONE系统以及Pandion SPAD阵列具有强、性价比高、符合汽车规则等优点，积极研发创新，为设计师提供广泛的现场应用支持、相关应用注释和视频库、产品演示系统、经验证模型模拟数据等，解决设计挑战，促进创新。
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