用于汽车和移动系统的激光雷达

移动光检测和测距 (LiDAR) 系统必须快速可靠地感知环境，在经济可行的情况下，尽可能详细地收集周围环境和前方道路图像。远瞻：安装在快速行驶的汽车上的系统需要“看到”至少 150 米（大约 500 英尺）的前方，并探测到 10 厘米（约 4 英寸）高的小型物体。

所有这些都对系统传感器提出了具有挑战性的技术要求。

克服该挑战需要互补但独立的传感器系统，并保证功能安全和环境认证。例如，设备的额定工作温度应为 -40 至 125°C（-40 至 257 °F），以适应环境温度和来自其他系统元件的热量。传感器必须具有出色的信噪比，才能通过任何分散注意力的背景“看到”信号。由于光学探测器必须准备好处理不同程度的环境光，因此传感器应具有宽动态范围。

（请注意，术语“探测器”可能仅指光电检测元件，而“传感器”包括探测器以及提供连接等功能的相邻电子元件。这些术语有时可以互换使用。）

随着行业的发展，设计工程师正在将几种不同的传感器技术应用于激光雷达移动系统。每种技术都有优点和缺点，如下所述。

硅 PIN 二极管探测器

这些硅探测器采用分层组合结构，具有 P 型/固有型/ N 型三种半导体类型。

它们具有良好的动态范围，能够处理大量变化的光线。例如，即使在阳光直射下，它们也可以检测远处物体的反射。而且它们相对比较便宜。

然而，它们无法提供大多数现代移动激光雷达系统所需的高带宽或信噪比性能。最后，它们既不是很敏感，速度也不是很快。

硅光电倍增管 (SiPM) 和单光子雪崩二极管 (SPAD) 探测器

它们的制造商最初开发了这些固态硅基传感器，用于小型专业科学和医疗应用。最近，他们尝试在更大的激光雷达市场上试用这些传感器。

这些传感器的功能类似于 APD（见下文），但针对非常高的内部放大或增益进行了优化，使其能够检测最少量的光。它们也非常快。最后，它们与常用的 CMOS 技术兼容，因此可以与同一芯片上的相关电子设备配对。

然而，它们的单光子计数器的灵敏度远低于 APD。所以它们必须依靠非常高的乘法运算。不幸的是，乘法运算期间增加的噪声通常会显著降低信噪比。它们的放大机制也容易由高温引起的错误触发。也许这些传感器最严重的缺点是：它们的高增益是以饱和问题为代价的。

首先，传感器必须处理前方物体反射的激光。此外，许多激光雷达系统指定具有宽视野的扫描仪。这会在 SIPM 或 SPAD 传感器上增加相当多的光。在激光雷达移动环境中经常遇到的一些现象（例如明亮的阳光，远光灯或其他激光雷达系统），即使使用光学滤光片，也会使传感器在更高的光照水平下饱和，超出其处理能力。随着消除其缺点的开发工作的继续，这些传感器通常被考虑用于各种激光雷达应用。但迄今为止，它们的饱和问题和上述其他问题使它们无法成为扫描远程激光雷达的首选探测器。




 

这些传感器经常以小尺寸用于电信玻璃纤维，但除了专门的防务或航空航天应用外，它们在激光雷达应用上才刚起步。该技术摒弃了传统的硅基结构，转而采用 InGaAs 材料。

使用专门为获得更高光谱（1550 nm，而此处讨论的其他传感器为 905 nm）而建造的激光系统，这种设计应该更灵敏，并且能够提供更大功率输出。因此，它可以使汽车激光雷达系统具有比大多数其他传感器更长的动态范围。

然而，即使略高于正常环境温度，InGaAs 探测器的性能也会显著降低。即使在温带气候下，这款传感器也可能需要外部冷却系统。

此外，其基础材料比广泛使用的硅衬底贵得多。制造用于激光雷达的大尺寸 InGaAs 传感器将需要比硅设计更复杂的制造流程。迄今为止，它们还没有成功地进行大批量商业生产。

最后，由于对汽车激光雷达领域来说这是一项新技术，OEM 必须准备好花费大量的时间、精力和资金来尝试围绕任何 InGaAs 探测器开发新的激光雷达系统。

这些硅基光电探测器最初是为工业和防务应用而设计的，其工作原理是使入射光子能够触发电荷雪崩，并通过其内部放大机制使增益倍增。其吸收优化的结构可将至少 80% 的激光反射的 905 nm 光转换为光电电流。其结果：大大提高了灵敏度。

除了显著的灵敏度外，APD 还具有出色的信噪比、最低饱和度和非常高的速度。它们也是成本最低的传感器技术之一。

潜在的缺点：APD 使用专门的双极技术，与普通的 CMOS 制造技术不兼容。因此，它们只能从少数供应商处采购。而且它们不能与相关的 CMOS 电子设备在同一芯片上配对。

但是，经验丰富的供应商可以在紧密相邻的芯片上制造包含传感器和电子元件的封装。两者都可以通过优化提供出色的性能，而不会降低性能。例如，APD 传感器阵列可以辅以专门设计的互阻抗放大器 (TIA)，具有定制的增益和带宽，可将光电流转换为电压并调节进入系统的信号以获得高增益。这可以最大限度提高性能，尤其是在低光照条件下。

APD 采用成熟的高生产力商业制造工艺制造而成，并且已经在使用的各种系统中得到验证。

基本上，如果设计出色，它们能够将经验证的性能与具有吸引力的价格相结合。APD 目前是首选的汽车远程激光雷达探测器，是当今许多先进移动系统的关键元件。

一旦确定了适当的传感器技术，激光雷达系统设计人员仍然面临着选择合适的传感器供应商的挑战。

必须仔细评估候选人。他们是否拥有使传感器和系统满足 OEM 的个性化要求和市场需求的技术、能力和专业知识？他们是否会在设计、制造和调度方面与 OEM 团队密切合作，以确保尽快上市？

如果传感器供应商还需要花时间加快其开发、制造、汽车认证和其他流程，那么激光雷达移动 OEM 将在加快上市速度的竞争中失败。

传感器供应商在工作中不断积累经验。优秀的候选人已经将他们的传感器/探测器技术应用于移动应用。这可能包括标准和定制的 APD 设计；标准和定制芯片、封装和模块设计和制造；以及出色的电子元件。

理想的供应商将拥有良好的业绩记录，他们的汽车级 APD 和相关电子元件等产品应已被主要 LiDAR OEM 使用。

 

设计人员应优先考虑具有相关技术优势（例如低噪声和高灵敏度）的供应商。但他们也应该寻找能够始终对其领域进行整体控制的传感器制造商。

从芯片加工到预制传感器系统的整个生产过程应该作为一个连贯的整体实施。通过在内部制造所有核心元件，供应商应确保所有 OEM 产品在批量生产和售后市场的长期可用性。

要成为成功的激光雷达系统制造商，提供出色的性价比非常重要；这有助于将给定系统与过度拥挤市场中的其他系统区分开来。现成的传感器可能不符合要求。相反，通常必须定制元件才能完全匹配所选的系统设计。

系统制造商需要寻找敏捷且响应迅速的传感器供应商。在许多情况下，供应商必须与 OEM 设计人员合作，定制传感器和相关电子元件，以便与系统的其余部分尽可能紧密地集成，以提供出色的性能。

例如，团队需要建立适合给定镜头的传感器几何形状；需要优化尺寸；并以其他方式适配每种独特光学设计的结构。团队必须确定最佳通道数（并行接收多少信号），以最大限度提高扫描仪的空间分辨率。团队必须定制封装，以确保传感器和电子元件之间的接口尽可能短。

最后，优秀的供应商应该提供具有精细技术优势的传感器，例如多像素同质性。如果光电二极管不是同质的和/或来源不同，它们在实际使用中对环境温度的反应会有所不同。这会显著降低激光雷达扫描仪的性能。相比之下，多像素同质性可以提供尽可能紧密的信号信息分布，即使存在峰值距离也是如此。

一个优秀的传感器供应商应该了解交通规则，应该熟悉最新的汽车认证、稳健性验证以及表征标准和法规。

例如，ISO/TS 16949 汽车认证生产和测试，以及 AEC-Q 102 和 104 汽车级 APD 阵列封装。供应商应能够将这些标准和其他相关标准应用于其所有元件和制造设施中，以遵守法规并帮助系统 OEM 规避责任。

加强监管是不可避免的。供应商应通过记录在案的最佳实践（例如福特汽车公司在其 Q 计划中开创的严格自我资格认证）来证明自己符合法规要求。

供应商还应展示良好的质量和交付绩效记录，以及从初始开发到维护服务的强大支持水平。

应在系统设计之初就考虑传感器设计。OEM 越早与传感器供应商合作，整个设计/制造流程就会越快、越便捷，最终的激光雷达系统的性能就越出色。

最后，供应商应始终展望这个瞬息万变领域的未来发展。合适的传感器制造商将绘制预期监管、业务和技术发展的创新路线图，以帮助系统制造商驾驭这个瞬息万变的市场。

Marc Schillgalies 博士，TE Connectivity

Paul Sharman，TE Connectivity