硅光电倍增管(SiPM)用于直接飞行时间(ToF)测距应用

时间：2022-02-16 14:12:04

关键字：安森美硅光电倍增管激光雷达

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[导读]本白皮书旨在协助开发基于硅光电倍增管(SiPM)的激光雷达(LiDAR，光探测和测距)系统。下面的章节包含了以下信息：直接飞行时间（ToF）测距仪的激光器、计时和光学参数的设计和实现，以及详细分析将SiPM整合到此类系统中时必须考虑的关键方面。

前言

LiDAR是一种测距技术，正越来越多地用于移动测距、汽车ADAS（先进驾驶辅助系统）、手势识别和3D绘图等应用。与雪崩光电二极管(APD)、PIN二极管和PMT等替代性传感器技术相比，采用硅光电倍增管(SiPM)作为光敏传感器有许多优势，特别是对于移动和大批量产品而言。安森美(onsemi)的SiPM提供：

•从250纳米到1100纳米的单光子探测

•低电压--易于实现系统要求

•低功耗--较低的工作电压和简单的读出电子装置实现低功耗设计

•高带宽和快速响应时间—最小化测距时间

•能够利用低激光功耗直接ToF测距技术的优势

•低噪声和高增益--可实现好的信噪比（SNR）

•标准CMOS制造工艺--成本低，高度一致性，可扩展生产

•小尺寸SMT封装--可提供1毫米的传感器

与其他传感器相比，迁移到SiPM传感器技术会带来一系列不同的限制。本白皮书旨在帮助用户充分利用该技术的优势，并尽快实现采用SiPM传感器的工作设置。

为此，安森美创建了三个工具来帮助用户；一个用于仿真的MATLAB测距模型，一个测距演示器硬件装置，以及本文文件。

•我们创建了一个直接ToF系统的详细MATLAB模型，以便于仿真基于SiPM的测距应用。该模型可用于支持测距系统的设计，并可进行修改以仿真各种应用和实施。

•一个基于SiPM的LiDAR演示系统已建成。对这个 "第一代 "系统进行了测量，并用于验证MATLAB模型的仿真结果。

•本文文件旨在帮助新用户开发基于SiPM的直接ToF测距系统。它讨论了各种系统和环境因素对所产生的信噪比的影响。

直接ToF测距系统的设计

一个直接的ToF测距系统所需的基本组件，如图1所示

1. 一个带有准直光学系统的脉波激光器

2. 一个带有检测光学组件的传感器

3. 计时和数据处理电子装置

本文档聚焦激光器、传感器、读出器和应用环境的系统设计。本白皮书中的单点、直接ToF基线工作可以扩展到更复杂的扫描和成像系统。在直接ToF技术中，一个周期性的激光脉波被指向目标，通常采用对眼睛安全的红外区功率和波长。目标扩散并反射激光光子，一些光子被反射回传感器。传感器将检测到的激光光子（和一些由于噪声而检测到的光子）转换为电讯号，然后由计时电子装置进行时间标记。这个飞行时间t，可用来计算到目标的距离D，计算公式D=ct/2，其中c=光速，t=飞行时间。传感器必须将返回的激光光子从噪声（环境光）中区分出来。每个激光脉波至少捕获一个时间标记。这称为单次测量。结合许多单次测量的数据以产生一个测量值，信噪比可以得到极大的改善，从中可提取出检测到的激光脉波计时，具有高精度。有几种不同的读出技术可从检测到的激光光子脉波中获取计时信息，总结如下：

测距读出技术

•LED（前缘识别）--涉及对多光子讯号的上升沿的检测。计时的准确性是由辨别返回的光讯号的上升沿的能力决定的。这种技术不受激光脉波宽度的影响。

•全波形数字化--全波形被数字化，可以过采样以提高精度。对于短激光脉波或高重复率源来说，可能难以实现。

•TCSPC（时间相关的单光子计数）--提供最高的精度和最大的环境光抑制。这种技术要求每个激光脉波检测不到一个讯号光子。这种技术可以不受环境光的影响，但需要短脉波时间、高重复率和快速计时电子装置，以实现快速和准确的测量。

•SPSD（单光子同步检测）--TCSPC的一种形式，提供高环境光抑制。必须设计电子装置来处理范围模糊的问题。

图1. 直接ToF测距技术概览

建模一个直接ToF测距系统

我们创建了一个直接ToF系统的MATLAB模型。该模型的框图如图2所示。该模型给定一组与表1中所示相似的系统参数，目的是预测系统的整体性能。第一步包括分析计算传感器的光照度（包括环境光和激光），给定一个选定的光学场景，可以通过改变相应的系统参数来改变。通过比较计算出的光照度与传感器的饱和极限，可以验证所选择的设置是否适合测距。在特定设置不适合测距的情况下，可以通过改变系统参数来评估设置本身的改进。该模型的第二部分包括一个Monte Carlo 仿真器，其中传感器的随机特性，主要是光子探测效率（PDE）和时间抖动，被再现。这一步允许通过仿真获得传感器的现实输出。与分析部分相比，这一步考虑到了计时信息，如采集时间、激光的重复率和激光脉波宽度。Monte Carlo 仿真的结果被传递给一个读出模型，通常是一个鉴别器，然后是一个TDC（时间到数字转换器），它产生一个时间戳的柱状图，从中可以提取一个范围测量。

图2. 光照度的计算结合Monte Carlo 仿真器，从而可以再现完整的系统输出。

表1. SiPM直接ToF测距系统中的变量

测距直方图

每次发出激光脉波时，采集系统都会进行一次单次测量。取决于许多因素，包括激光功率和与目标的距离，每个脉波检测到的激光光子数量可能很低。理想情况下，每个检测到的光子都会用时间标记。但每个单次测量的时间标记数量可能受到TDC死区时间的限制。通常情况下，许多单次测量的时间，各包含一个或多个时间标记，结合起来可产生一帧。在一帧过程中获得的完整计时数据可以以直方图的形式绘制出来，如图3所示。系统测距性能受到直方图数据质量的限制，而直方图又受到系统参数的影响。从第7页 "改变系统变量的影响 "一节中详述的系统参数分析中可以看出，有一些限制因素和一些可以作出的取舍。下面使用的测距直方图也提供了一个直观的表示，这对于描述各种参数对所采集数据的影响是很有用的。基本直方图讯号和计时参数说明如下。

直方图的信噪比，SNRH，是讯号峰值与最大噪声峰值之比。SNRH = 讯号峰值/噪声峰值。

在模型中，以下术语适用于测量时间： f = 激光频率

激光重复率限制了可以测量的最大ToF，无失真，这定义了每次单次测量的时间。

单次测量时间，tss = 1/f

帧大小是指每张直方图的单次测量数。较大的帧大小可以提高SNRH，产生更好质量的直方图。测距速度由帧率定义：帧率=每秒测距次数=1/ tacq

图3. 显示讯号、噪声和飞行时间的仿真直方图实例

改变系统变量的影响

系统设计参数将根据特定应用的要求而变化。本节的目的是利用直接ToF测距系统的模型，证明采集的数据是如何受到七个关键参数的影响。也体现与目标的距离和环境光照度的影响。关键点总结在表2中。以下各节显示的直方图是通过仿真得到的，可以假定每个直方图都包括在单帧中获得的整个数据集。为了计算速度，所显示的直方图对应于一个较短的采集时间。

1. 参考直方图

图4显示了在右侧蓝色呼出框中列出的条件下，通过仿真得到的参考直方图。这种配置被用作参考点，以显示替代系统参数值的影响。以下分析中所使用的系统参数是为了提供一个典型的5米测距应用的参考点。一些参数的选择是为了便于仿真和说明，而不是为了反映一个优化的设置。在以下各节中，只修改了一个参数，并重新进行了仿真，以说明该参数对系统采集数据的影响。

图4. 参考直方图

表2. 关键参数的影响概述

2. 激光脉波重复率

较高的激光脉波重复率可以提高直方图的质量，因为它增加了单次测量的次数，使得在给定的采集时间内可以检测到更多返回的激光光子。随着获得更多的噪声计数，最大噪声峰值也会增加。但是，由于噪声是不相关的，总体SNRH增加，如图5所示。可以选择的最大激光重复率有一个上限，因为该重复率限制了可不失真地测得的目标距离。例如，如果300米是最大的测距目标距离，那么可以使用1 MHz的最大重复率。如果100米是最大的目标距离，那么可以使用3 MHz。

3. 激光脉波宽度

如图6所示，较宽的激光脉波宽度会导致直方图中较宽的讯号峰值。对于方形脉波，有必要对脉波的前缘进行判别，以便只定位探测到的第一个光子的飞行时间。后续的光子并不携带有用的ToF信息。因此，较短的激光脉波是最佳的。然而，是否有合适的激光器可能是实际设置中的决定性因素。

图5. 激光重复率的影响

图6. 更宽的激光脉波宽度的影响

4. 激光波长

激光波长的选择受到许多因素的影响，包括眼睛安全性和是否有特定波长的低成本激光器。激光波长的选择也会影响测距性能，因为不同波长下太阳辐照度和传感器探测效率。对于一个受太阳噪声影响的系统，可以选择一个较长的波长，以利用太阳辐照度在较长波长下相应减少。从图8中的太阳辐照度模型可以看出这种效果。在激光波长为940纳米时，建模的SiPM的PDE从约1%降低到约0.3%。保持所有其他参数不变，激光光子和环境光子的探测效率都会降低。对于这特定的设置，净效应是由于总计数减少而导致SNRH的降低，如图7所示。当然，如果选择另一种SiPM，在关注的波长上具有更好的PDE，那么产生的直方图讯号计数会更高，SNRH也会得到改善。同样地，其他参数也可以修改，以补偿减少的PDE。

图7. 增加的波长对直方图的影响

图8. 太阳辐照度模型

5. 采集镜头光圈

当镜头光圈扩大时，更多的环境光子被探测到，而返回的激光光子数量保持不变。SiPM现在很容易出现饱和，这一点从图9中直方图窗口开始时的大过冲可以看出。当传感器饱和时，激光光子就不能再被SiPM检测到，导致讯号检测率降低，整体SNRH降低。

图9. 增加的采集镜头光圈的影响

6. 传感器的视角

传感器的视角由传感器的尺寸和采集镜头的焦距决定。当传感器的视角增加到20°时，入射到SiPM上的环境光会明显增多。然后，它变得饱和，以至于系统无法辨别激光脉波，如图10中的情况。关键是要限制传感器的视角，使其只覆盖激光的范围，避免这种情况。

图10. 增加的传感器视角的影响

7.滤光片带通

光学带通滤波器用于限制由激光波长范围以外的光产生的环境噪声。在这种情况下，滤光器的带通范围是50纳米FWHM（全宽半长）。这允许更多波长的环境光通过SiPM，增加了测量的背景噪声，恶化了SNRH，如图11所示。在模型中，激光波长正好只有905纳米，获得的激光讯号不受带通FWHM的影响。在实际系统中，激光中心波长可能有比较大的差异，这可能对带通滤波器的选择有影响。

图11. 更宽的传感器光学带通的影响

SiPM微单元尺寸

图12中的直方图显示了MicroFC-10035 SiPM相较MicroFC-10020的仿真性能。主要的影响是，在关注的波长处，PDE略有增加，导致讯号略微提高，而噪声的相应增加较小。在这个测距距离和这个配置下，SiPM的这种变化对仿真直方图没有显著影响。

图12. 改变SiPM微单元尺寸的影响

9. 到目标的距离

图13中的图迭加了距目标10米、15米、20米和25米处的直方图。X轴上的讯号峰的间距对应于ToF=2*距离/c。随着距离的增加，从激光器获得的计数减少，因为传感器上的激光光子密度以1/d2（其中d是传感器与目标的距离）减少，但环境噪声保持不变，因为从目标扩散回来的环境光子数量不随距离变化。在30米处，使用这种配置已经不可能进行测距了。当然，可以对配置进行优化，以便在这个距离上进行测距（参考第15页第3节的测距演示器建模到100米的设置，以模拟长距离的测距）。

图13. 增加目标距离的影响

10. 环境光

这里的环境光增加了10倍，达到100 klux。随着打到传感器上的环境光子数的增加和所有其他条件保持不变，每一次单次测量都会获得更多的环境光子。整个画面上每仓的噪声计数相应增加，SNRH受到负面影响。图14显示，10米处的峰值仍可辨认，因此在此光照水平下，使用这种配置仍可进行测距，但现在的测距能力将被降低。相反，在低环境光下，由于噪声计数较低，SNRH将得到改善。

图14. 增加环境光的影响

第一代测距演示仪说明

第一代测距演示仪(Gen1 Ranging Demonstrator) 是个评估系统，用于介绍使用SiPM传感器进行直接ToF测距。Gen1的特点是：

•光学接口，包括激光准直透镜、传感器采集透镜和带通滤波器

• 激光二极管和驱动电路

• SiPM传感器和鉴别器电路

• 基于FPGA的时间-数字转换器（TDC），读出和通信接口

• 基于PC的软件。

图15显示了系统框图。该演示器使用了一个905纳米的激光二极管，脉波宽度为150ps，激光峰值功率高达2 W，激光脉波重复率为150 kHz。激光输出讯号由一个发散角为0.06°的透镜准直。在接收器处，反射的讯号通过一个40毫米焦距的采集透镜聚焦到传感器上，该透镜的孔径为11.4毫米。传感器的视角为1.4°。该讯号还被一个FWHM为10纳米的光学带通滤光器过滤。检测讯号链包括SensL MicroFC10020-SMT SiPM、一个增益级和一个高速比较器，执行前缘识别，以及脉波发生器电路。产生的脉波使用独立的TDC或基于FPGA的TDC和数据采集系统进行时间标记。采集的数据通过高速USB链路传输到PC软件。系统软件从获得的数据中建立直方图，并将其绘制出来进行分析。曲线拟合算法提取ToF，如第6页的测距直方图部分所述。用软件可调设置可选择一系列的配置，以优化系统用于各种应用。该演示是可携式的，由一个6 V电源供电。表3列出了Gen1系统参数的完整列表。

图15. Gen1测距演示器原理框图

表3. GEN1系统参数，传感器与目标的距离达5米

1. 第一代测距演示器的性能

第一代测距演示器的性能已测量了一些有着不同的目标距离和环境光条件的用例。从0米到5米的实际测距数据如图16所示，采用测距数据直方图的形式，对比由此产生的测距和实际测距特性以及相关的测距误差。表4总结了Gen1系统在实验室250勒克斯环境光条件下，5米以内的性能。

表4. Gen1系统在5m内的性能摘要

图16. Gen1系统在5m内的基准性能数据

图17. 用Gen1 Ranging Demonstrator采集的数据

2. 使用Gen1系统测量结果对模型进行验证

用演示器的系统参数对模型进行配置，并在与目标有相同距离和环境光的条件下进行仿真。然后将仿真结果与测距演示器的测量结果进行比较，如图17和图18所示，具有良好的相关性。这验证了该模型，并提供了为不同用例设计系统的方法。

图18. MA TLAB模型仿真数据

将Gen1系统升级为测距达100米的Gen2系统

该模型随后被用来开发一套系统参数，使Gen1系统升级到能够达100米测距。这升级系统称为Gen2系统。这些参数变化显示在表5中。图19显示了仿真直方图，图20显示了100米处的仿真测距分辨率，图21显示了在整个10米到100米范围内的测距，显示了良好的线性度。表6总结了相应的系统性能。在这个视频中可以看到Gen2的运行情况。

表5. 第二代升级版测距演示系统的系统参数