LiDAR代表“光探測(cè)和測(cè)距”,是一種用于測(cè)量物體距傳感設(shè)備的距離的技術(shù)。使用的原理與雷達(dá)(RADAR)非常相似,但使用LiDAR時(shí),無線電波被光(通常是激光)代替。LiDAR系統(tǒng)發(fā)出的光束射到目標(biāo)上,然后被反射回靠近光源的傳感器。通過測(cè)量光傳播所需的時(shí)間并知道光的恒定速度,可以高精度地計(jì)算目標(biāo)的距離。這稱為飛行時(shí)間(ToF)。

LiDAR在汽車行業(yè)很有成效,尤其是在先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)中,可用于障礙物檢測(cè)和避免碰撞以及自適應(yīng)巡航控制(ACC)和導(dǎo)航。但是,LiDAR技術(shù)的一個(gè)新的令人興奮的領(lǐng)域是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)中的工業(yè)測(cè)距。

在此文中,我們領(lǐng)先的LiDAR專家,智能感知部SensL分部應(yīng)用工程師Edel Cashman,分享了她在測(cè)距和硅光電倍增管(SiPM)技術(shù)的專知,并介紹了我們新的硅光電倍增管(SiPM)直接飛行時(shí)間(dToF) LiDAR平臺(tái)。

Q

什么是測(cè)距儀?它為何是物聯(lián)網(wǎng)的一部分?

測(cè)距儀是深度測(cè)量系統(tǒng),可用于涉及深度感知、物體探測(cè)和躲避以及位置映射的廣泛應(yīng)用。

Q

LiDAR技術(shù)為測(cè)距帶來什么好處?

LiDAR具有高度可配置性,可以在各種環(huán)境和照明場(chǎng)景中使用,并且可以精確探測(cè)任何類型的固體物體。

Q

直接飛行時(shí)間(dToF)的原理是什么?

所有LiDAR系統(tǒng)都使用光和“飛行時(shí)間”概念來測(cè)量距離。間接技術(shù)使用連續(xù)光和調(diào)制光與反射光之間的相位差或頻率差。在dToF系統(tǒng)中,脈沖激光提供了從表面反射并由傳感器探測(cè)到的光子。通過發(fā)出光子脈沖的激光與探測(cè)到光子脈沖的接收器之間的時(shí)間差可算出距離。通常使用時(shí)間到模擬或時(shí)間到數(shù)字轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)。通過使用FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)間到數(shù)字的轉(zhuǎn)換,您可以準(zhǔn)確地記錄發(fā)射開始的時(shí)間,并測(cè)量從目標(biāo)物體反射后收到第一個(gè)探測(cè)到的返回光子的時(shí)間。對(duì)于遠(yuǎn)距離探測(cè),高度敏感的光電檢測(cè)器必不可少。

Q

為什么dToF比間接飛行時(shí)間(iToF)更適合IoT應(yīng)用?

iToF和dToF在測(cè)距方面均具有優(yōu)勢(shì)。dToF在照明、探測(cè)和處理方面易于實(shí)現(xiàn),并且計(jì)算時(shí)間很短。dToF系統(tǒng)能夠區(qū)分視野(FoV)內(nèi)的多個(gè)對(duì)象,并且不會(huì)因相位周期而受距離模糊的影響。

Q

與其他技術(shù)相比,SiPM有什么優(yōu)勢(shì)?

SiPM是高靈敏度光電探測(cè)器,具有低噪聲和快速響應(yīng)時(shí)間。SiPM通過一次測(cè)量即可提供高度準(zhǔn)確的ToF和強(qiáng)度信息。安森美半導(dǎo)體的SiPM高度一致且成本低,非常適合大批量生產(chǎn)。基于SiPM的系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠且可擴(kuò)展。高近紅外(NIR)靈敏度意味著安森美半導(dǎo)體的SiPM可以設(shè)計(jì)成具有低成本批量生產(chǎn)激光二極管的系統(tǒng),波長(zhǎng)范圍850 nm至940 nm。

Q

開發(fā)測(cè)距應(yīng)用有哪些挑戰(zhàn)?

開發(fā)測(cè)距應(yīng)用有許多挑戰(zhàn)。對(duì)于低功率應(yīng)用,光子預(yù)算可能有限。對(duì)于遠(yuǎn)距離系統(tǒng),可以通過對(duì)相同的平均能量使用較短的激光脈沖寬度來優(yōu)化激光源-SiPM可以輕松探測(cè)到較短的脈沖寬度。多點(diǎn)測(cè)距將需要擴(kuò)增探測(cè)器的數(shù)量或在單點(diǎn)探測(cè)器上添加掃描(光束控制)機(jī)制– SiPM高帶寬和快速響應(yīng)時(shí)間可在掃描場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)高幀速率。

最小距離探測(cè)在測(cè)距儀設(shè)計(jì)中也可能是個(gè)挑戰(zhàn)。其他挑戰(zhàn)包括光學(xué)成本,以及在寬溫度范圍內(nèi)的激光一致性。

SiPM dToF LiDAR平臺(tái)是單點(diǎn)測(cè)距開發(fā)套件,經(jīng)成本優(yōu)化用于在工業(yè)和消費(fèi)者應(yīng)用中大量部署。它提供一種簡(jiǎn)單的方法在IoT應(yīng)用中實(shí)施直接深度感測(cè)和距離測(cè)量。該套件基于最新的RB系列硅光電倍增管(SiPM)探測(cè)器,這是一款近紅外(NIR)單光子敏感的高性能固態(tài)傳感器。

由安森美半導(dǎo)體開發(fā)并在我們的平臺(tái)中使用的RB系列SiPM傳感器采用緊湊、強(qiáng)固且對(duì)磁性不敏感的封裝,具有高(1x106)增益和高光子探測(cè)效率(在905 nm時(shí)為10%)。它以約30 V的極低偏置電壓實(shí)現(xiàn)高增益,且噪聲水平幾乎完全在單光子范圍內(nèi)。安森美半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)了微區(qū)之間的高度一致性,說明該傳感器能夠?qū)z測(cè)到的光子的精確數(shù)量區(qū)分為輸出節(jié)點(diǎn)處不同的離散水平。

RB系列SiPM

該參考套件的目標(biāo)距離在11厘米至23米之間。它含針對(duì)650至1050 nm信號(hào)優(yōu)化的平凸透鏡,及一個(gè)905 +/- 5nm帶通濾光片和905 nm激光二極管發(fā)射器。

該參考套件使用基于PC的圖形用戶接口(GUI, 已提供),開箱即用。它還含行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的PMOD連接器,用于創(chuàng)建完整的方案,還可提供所需的電源。設(shè)計(jì)人員也可選擇由USB連接器為參考套件供電。用GUI能修改許多設(shè)置,從而使該平臺(tái)可用于廣泛的工業(yè)和IoT應(yīng)用。