激光雷達(dá)領(lǐng)域的新秀利器—SPAD23

激光雷達(dá)（LiDAR）技術(shù)以其精準(zhǔn)的距離測(cè)量和三維建模成像能力，在多個(gè)行業(yè)中發(fā)揮著重要作用。這項(xiàng)技術(shù)主要通過發(fā)射激光脈沖并測(cè)量這些脈沖與物體碰撞后返回的時(shí)間來工作，從而獲得高精度的空間數(shù)據(jù)。不僅能夠進(jìn)行測(cè)距還能進(jìn)行復(fù)雜場(chǎng)景的計(jì)算成像等等。

激光雷達(dá)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于以下行業(yè)：地理空間測(cè)繪、考古學(xué)、自動(dòng)駕駛車輛、農(nóng)業(yè)、林業(yè)管理、城市規(guī)劃、災(zāi)害管理、建筑和建筑管理、交互式媒體和藝術(shù)、太陽能和風(fēng)能項(xiàng)目、軍事和國(guó)防、礦業(yè)和地質(zhì)學(xué)、基礎(chǔ)設(shè)施和建設(shè)、大氣研究、機(jī)器人技術(shù)、制造業(yè)、能源行業(yè)等等

時(shí)間飛行（ToF）技術(shù)是一種測(cè)量物體距離的方法，它通過計(jì)算光波從發(fā)射到反射回傳感器所需的時(shí)間來確定空間信息。ToF系統(tǒng)通常包括發(fā)射器（激光光源）和接收器（探測(cè)器）及時(shí)間記錄裝置（tdc）

ToF有兩種，直接時(shí)間飛行（dToF）和間接時(shí)間飛行（iToF）

直接時(shí)間飛行（dToF）：這種方式通過發(fā)射短脈沖光，并直接測(cè)量每個(gè)脈沖返回到傳感器的時(shí)間來測(cè)量空間信息。它使用高靈敏度的單光子雪崩二極管（SPAD）檢測(cè)單個(gè)光子，適用于構(gòu)建時(shí)間的直方圖，從而確定可能空間信息

間接時(shí)間飛行（iToF）：這種方式則發(fā)射連續(xù)調(diào)制的光波，通過測(cè)量發(fā)射光與反射光之間的相位差來計(jì)算時(shí)間，從而確定空間。iToF通常使用標(biāo)準(zhǔn)的圖像傳感器架構(gòu)來測(cè)量隨時(shí)間變化的光強(qiáng)

相比而言，dToF除成本略高于iToF外，但其能提供更高的測(cè)量精度和較低的噪聲干擾，適合長(zhǎng)距離和低照明條件下使用。

但是不管是dToF還iToF，其中SPAD的探測(cè)性能都會(huì)直接的關(guān)系到回波光子是否能夠被成功的捕獲到，從有足夠的數(shù)據(jù)支撐zui終結(jié)果的測(cè)算。

單光子雪崩二極管（SPAD）探測(cè)器是一種高靈敏度的光電探測(cè)器，能夠檢測(cè)到單個(gè)光子事件。它們?cè)诩す饫走_(dá)（LiDAR）系統(tǒng)中的應(yīng)用顯著提高了距離測(cè)量和圖像捕捉的性能，尤其在要求高分辨率和高精確度的場(chǎng)合。

SPAD探測(cè)器通過利用雪崩效應(yīng)放大入射光子產(chǎn)生的光電流來實(shí)現(xiàn)單光子檢測(cè)。這種探測(cè)器在被觸發(fā)后會(huì)快速進(jìn)入雪崩模式，可以檢測(cè)很低光級(jí)的信號(hào)。這一特性使得SPAD尤其適用于光線較暗的環(huán)境或需要很高靈敏度的應(yīng)用。這些特性，在激光雷達(dá)中起到著如下至關(guān)重要的作用

增強(qiáng)距離測(cè)量能力：在激光雷達(dá)系統(tǒng)中，距離的測(cè)量依賴于精確地檢測(cè)發(fā)射的激光脈沖被目標(biāo)反射回來的時(shí)間。距離越遠(yuǎn)，回波光子打到探測(cè)器的概率會(huì)越小，SPAD探測(cè)器的高靈敏度和高的光電轉(zhuǎn)換效率在遠(yuǎn)距離測(cè)距時(shí)可以大大的提高捕獲珍貴的回波光子的能力

提高低光環(huán)境下的性能：由于SPAD探測(cè)器對(duì)單個(gè)光子都非常敏感，它可以在光線非常微弱的情況下工作，這對(duì)于夜間或光照條件不佳的環(huán)境中的激光雷達(dá)應(yīng)用尤為重要。

目前所用到的SPAD大多為單點(diǎn)式的，但隨著激光雷達(dá)方向的研究不斷深入，對(duì)于SPAD的要求也越來越高，單點(diǎn)SPAD的壁壘也越發(fā)明顯，如：

單點(diǎn)SPAD通常具有較小的探測(cè)面積，意味著其能夠捕獲反射回的光子數(shù)量有限，降低了系統(tǒng)的整體性能，

難以覆蓋較寬的視場(chǎng)角，這限制了激光雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，尤其是在需要廣泛監(jiān)控的場(chǎng)景中

在一些應(yīng)用中，可能需要將多個(gè)SPAD陣列集成在一起以增加探測(cè)面積，來提高信號(hào)集成，但這會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本以及體積。

SPAD需要一定的“死時(shí)間”來恢復(fù)到下一個(gè)光子可以被探測(cè)的狀態(tài)。在此期間，任何到達(dá)的光子都無法被檢測(cè)到（光子堆積效應(yīng)），這限制了其在高速應(yīng)用中的使用。

單點(diǎn)式的SPAD往往需要搭配一個(gè)時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)器（TDC）來使用，這就意味著會(huì)大大增加激光雷達(dá)系統(tǒng)的體積，但是激光雷達(dá)系統(tǒng)往往會(huì)伴隨著小型化的需求。

面日益增長(zhǎng)的研究需求與設(shè)備性能上限的沖突，Pi Imaging與上海昊量光電推出了單光子陣列探測(cè)器—SPAD23。

SPAD23 設(shè)備采用了23個(gè)六邊形排列的硅基單光子雪崩二極管（SPAD），這種獨(dú)特的排列方式增加了有效探測(cè)面積，改善了傳統(tǒng)單點(diǎn)SPAD面積小的限制。并且突破了陣列探測(cè)器中絕大多數(shù)都無法突破的技術(shù)難題：填充因子。該設(shè)備的光敏面大小為1.3mm×1.3mm，每個(gè)像素的大小為23um，填充因子大于80%，單光子光電轉(zhuǎn)換效率為55%，對(duì)于探測(cè)面積、光的收集與捕獲能力及探測(cè)視場(chǎng)角相較于單點(diǎn)SPAD是指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的。且其23個(gè)探測(cè)器獨(dú)立工作互不受彼此的死時(shí)間的影響，可以大大的少光子堆積效應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

SPAD23的第二個(gè)亮點(diǎn)在于每一個(gè)探測(cè)器后面均連接一個(gè)10ps時(shí)間分辨率的TDC，這就意味著SPAD23的內(nèi)部?jī)?nèi)置了23個(gè)SPAD探測(cè)器 + 23個(gè)TDC，僅需要自帶軟件即可一鍵獲得23個(gè)探測(cè)器的直方圖以及時(shí)間戳的信息，但是這種高度集成性并不會(huì)帶來額外的體積影響，相反為了響應(yīng)激光雷達(dá)研究小體積需求，其zui終體積僅有半個(gè)手機(jī)的大小，這遠(yuǎn)比傳統(tǒng)形式的SPAD＋多通道計(jì)數(shù)器的組合體積更小許多。

針對(duì)其實(shí)際表現(xiàn)，搭建了一個(gè)簡(jiǎn)易的激光測(cè)距光路來驗(yàn)證設(shè)備本身的性能，該簡(jiǎn)易光路的激光器使用的是40MHz重頻的532nm波長(zhǎng)的激光器，將綠光打在白板上，陣列探測(cè)器與激光器的出光孔在同一水平線上如下圖所示：

快速的搭建好實(shí)驗(yàn)設(shè)備后，只需要給SPAD23通入電源及USB連接線，連接好激光器的同步觸發(fā)信號(hào)后，設(shè)置直方圖的Bin寬為20ps（短為10ps），探測(cè)時(shí)間為90ms，點(diǎn)擊開始按鈕后，瞬間生成直方圖，通過下圖的直方圖的圖表信息，光子的峰值在3100ps，粗略計(jì)算兩者之間的距離為0.93m÷2=0.465m，通過直方圖存儲(chǔ)的可視化數(shù)據(jù)精細(xì)計(jì)算，峰值所在的時(shí)間為第1590個(gè)Bin中，也就是3180ps，所以zui終距離為0.477m，這與實(shí)際量測(cè)結(jié)果相差無幾。

上述的簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)，可以粗略的展示SPAD23的在激光雷達(dá)方向的應(yīng)用能力，憑借著其便攜性、易用性、大面陣、高速率等獨(dú)特的特性，已然成為激光雷達(dá)領(lǐng)域的新秀力量。

審核編輯 黃宇