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)行測距還能進(jìn)行復(fù)雜場景的計(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)：地理空間測繪、考古學(xué)、自動駕駛車輛、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、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，并直接測量每個(gè)脈沖返回到傳感器的時(shí)間來測量空間信息。它使用高靈敏度的單光子雪崩二極管（SPAD）檢測單個(gè)光子，適用于構(gòu)建時(shí)間的直方圖，從而確定最可能空間信息

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量精度和較低的噪聲干擾，適合長距離和低照明條件下使用。

但是不管是dToF還iToF，其中SPAD的探測性能都會直接的關(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)支撐最終結(jié)果的測算。

單光子雪崩二極管（SPAD）探測器是一種高靈敏度的光電探測器，能夠檢測到單個(gè)光子事件。它們在激光雷達(dá)（LiDAR）系統(tǒng)中的應(yīng)用顯著提高了距離測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合。

SPAD探測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。這種探測器在被觸發(fā)后會快速進(jìn)入雪崩模式，可以檢測極低光級的信號。這一特性使得SPAD尤其適用于光線較暗的環(huán)境或需要極高靈敏度的應(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)距離測量能力：在激光雷達(dá)系統(tǒng)中，距離的測量依賴于精確地檢測發(fā)射的激光脈沖被目標(biāo)反射回來的時(shí)間。距離越遠(yuǎn)，回波光子打到探測器的概率會越小，SPAD探測器的高靈敏度和高的光電轉(zhuǎn)換效率在遠(yuǎn)距離測距時(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探測器對單個(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面積，來提高信號集成，但這會增加系統(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)光子可以被探測的狀態(tài)。在此期間，任何到達(dá)的光子都無法被檢測到（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)往往會伴隨著小型化的需求。

面日益增長的研究需求與設(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%，對于探測面積、光的收集與捕獲能力及探測視場角相較于單點(diǎn)SPAD是指數(shù)級增長的。且其23個(gè)探測器獨(dú)立工作互不受彼此的死時(shí)間的影響，可以大大的減少光子堆積效應(yīng)對實(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)部內(nèi)置了23個(gè)SPAD探測器 + 23個(gè)TDC，僅需要自帶軟件即可一鍵獲得23個(gè)探測器的直方圖以及時(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，其最終體積僅有半個(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。

針對其實(shí)際表現(xiàn)，搭建了一個(gè)簡易的激光測距光路來驗(yàn)證設(shè)備本身的性能，該簡易光路的激光器使用的是40MHz重頻的532nm波長的激光器，將綠光打在白板上，陣列探測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)信號后，設(shè)置直方圖的Bin寬為20ps（最短為10ps），探測時(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，所以最終距離為0.477m，這與實(shí)際量測結(jié)果相差無幾。

上述的簡易實(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)特的優(yōu)秀特性，已然成為激光雷達(dá)領(lǐng)域的新秀力量。

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