輕鬆探索汽車以外的多元化LiDAR應用
2020-11-26
作者
Edel Cashman，安森美半導體資深應用工程師
LiDAR 技術適合車用領域，尤其是在先進駕駛輔助系統(ADAS)中，可用於障礙物檢測、防撞以及自適應巡航控制(ACC)和導航。然而，雖然人們經常討論該技術在汽車領域的應用，實際上這只佔據LiDAR全部應用的極小部分。
所謂的光達(LiDAR)全名是「光檢測和測距」(light detection and ranging)，是一種用於測量物體與感測裝置之間距離的技術。LiDAR的工作原理與雷達(radar)非常相似，但使用LiDAR時，會以光(通常為雷射光)取代無線電波。
LiDAR 系統發射一束光，這束光擊中目標之後反射，然後返回到光源附近的感測器，透過測量光傳播的時間，而光速是恆定的，因此可以非常精確地計算出與目標之間的距離。在某個場景或目的地區域中以固定間隔重複進行測量，就可以構建該區域環境的3D地圖。
LiDAR 技術適合車用領域，尤其是在先進駕駛輔助系統(ADAS)中，可用於障礙物檢測、防撞以及自適應巡航控制(ACC)和導航。然而，雖然人們經常討論該技術在汽車領域的應用，實際上這只佔據LiDAR全部應用的極小部分。
在太空探索任務中，LiDAR可用於創建行星表面的3D地形圖，或計算天體與地球之間的距離。LiDAR在農業中可應用於調查農田和作物狀況，這樣農民就可以建模和預測作物產量，並監控作物生長。
LiDAR在林業的應用包括測量林冠、監控毀林行為以及用於預防森林火災管理。LiDAR 也可用於環境保護，如管理海岸侵蝕、監測沙丘以及收集冰川侵蝕方面的資料。在發生自然災害期間，LiDAR可用於預測海嘯或快速評估地震造成的損失。
LiDA也適合多種工業應用，包括檢查工廠生產線或規劃大型建築專案(如建築物或道路)。LiDAR還可用於保護危險區域，如鐵路交叉口附近區域。LiDAR可引導機器人車輛在倉庫、碼頭和機場等應用設施周圍安全行駛。事實上，LiDAR在交通、建築、測量、手勢識別、採礦、執法、可再生能源和地質等領域有數百種用途。
dToF在LiDAR應用中扮演的角色
LiDAR技術的關鍵是直接飛行時間(direct time-of-flight，dToF)。在典型的LiDAR系統中，雷射器用於產生光脈衝，當光脈衝擊中其路徑中的物體時，光線會被反射回來；儘管大部分光會散射，有一些光線仍會被反射回LiDAR系統中的感測器。
圖1：LiDAR應用中的dToF原理。
系統中的精確時脈可確定光線到達物體並返回所花費的時間。由於光速為恆定值(c)，可以輕鬆地計算出與物體之間的距離。LiDAR系統中極其精確的時脈可實現非常高的精度。
能夠確定與某個點之間的距離非常有用，如果在掃描模式下移動光源並記錄每個距離值及其在掃描區域中的位置，就可以快速構建3D地圖──這就是LiDAR的主要用途，有助於實現本文前面提到的許多新興應用。
不可或缺的感測元件──SiPM
對於任何 LiDAR 系統來說，準確擷取和量化反射的雷射光至關重要。在LiDAR系統中，表現較突出的一款感測器就是矽光電倍增器(Silicon PhotoMultiplier，SiPM)，它整合了大量外形小巧的獨立單光子雪崩二極體(SPAD)感測器。
圖2：SiPM由具有求和輸出功能(summing output)的微單元陣列組成。
每個微型感測點都有一個淬熄電阻(quench resistor)，稱為「微單元」(microcell)，該單元只有幾平方微米大小。當微單元吸收光子時，可能會引發蓋革模式雪崩(Geiger-mode avalanches)，從而導致大量光電流流經微單元。這會導致猝熄電阻出現壓降，減少二極體偏置並猝滅電流，從而防止出現蓋革模式雪崩。然後，微單元就會重置，並準備進行下一次測量。
通常在一顆SiPM上，每平方毫米(mm)有100到數千個微單元，每個微單元均以相同的方式獨立檢測光子。每個微單元的電流彙聚在一起形成准模擬輸出，該輸出可提供有關暫態光子通量(instantaneous photon flux)大小的資訊。
檢測和測量光子的替代技術包括雪崩光電二極體(APD)和PIN二極體。然而，由於SiPM感測器能夠檢測到單光子，且具有較高增益，因此相對於這兩種技術是一種改進。這種增強性能允許在非常遠的距離檢測低反射率目標，從而能夠滿足許多LiDAR應用的需求。
SiPM感測器可作為完整的解決方案提供，如安森美半導體(On Semiconductor)的RB系列，該系列對電磁波譜的紅色和近紅外區域比較敏感。該系列感測器具有靈敏度高、訊號回應快、工作電壓低以及工作電壓溫度係數低的特點。採用強固型1.5 mmx 1.8 mm尺寸 MLP (molded lead frame package)封裝，適用於回流焊接製程。
有三種類型可供選擇，區別在於微單元尺寸(10m、20m或35m)，但每個元件的有效感測面積均為1mm x 1mm。微單元較大的型號檢測效率更高，而微單元較小的型號動態範圍更大。所有元件都具有訊號回應速度快的特點，標準輸出約為1.0ns，而快速輸出約為500ps。
SiPM dToF LiDAR平台
儘管dToF原理相對比較簡單，但由於SiPM檢測返回光線的精度要求高，因此開發功能齊全的解決方案仍會面臨挑戰。有一款以dToF原理為基礎的完整LiDAR解決方案開發平台，能幫助工程師開發高性能的LiDAR工業測距應用。
圖3：LiDAR平台概念綜述。
為減少開發工作，該平台實際上是一個適合多種應用的全套式解決方案，可通過軟體來調整設置。我們對整體系統成本進行了優化，並提供所有硬體（BoM、原理圖、PCB 光繪）、軟體和原始檔案。
本系統為1mm至23m範圍內的單點提供dToF功能，並且包含平凸透鏡，以實現更大距離測量。僅需使用3.3V或5V單電源工作，還提供專用GUI來配置頻率和脈寬以及設置降壓和升壓。
結語
在許多產業中，對周遭環境進行測量和監控變得越來越重要。LiDAR等現代技術不僅可以提供比人工測量方法更高的精度，還可以減少完成任務所需的時間。
雖然dToF LiDAR的原理比較簡單，但整個實現過程中充滿了挑戰，尤其是對於首次使用的設計人員來說。而像是安森美半導體提供的參考平台，可用於展示進行LiDAR技術產品設計的實際效果，為設計人員提供快速、可靠地進行概念驗證所需的所有資訊、硬體和軟體。
本文由安森美半導體 (On Semiconductor)供稿
