分析在激光雷達(dá)系統(tǒng)中的關(guān)鍵應(yīng)用以及在激光雷達(dá)系統(tǒng)中核心器件的技術(shù)特性
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)揮著重要作用赤炒。這項(xiàng)技術(shù)主要通過(guò)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(lái)工作，從而獲得高精度的空間數(shù)據(jù)莺褒。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)繪你辣、考古學(xué)、自動(dòng)駕駛車(chē)輛尘执、農(nóng)業(yè)舍哄、林業(yè)管理、城市規(guī)劃誊锭、災(zāi)害管理、建筑和建筑管理丧靡、交互式媒體和藝術(shù)籽暇、太陽(yáng)能和風(fēng)能項(xiàng)目、軍事和國(guó)防饭庞、礦業(yè)和地質(zhì)學(xué)戒悠、基礎(chǔ)設(shè)施和建設(shè)舟山、大氣研究救崔、機(jī)器人技術(shù)捏顺、制造業(yè)六孵、能源行業(yè)等等
時(shí)間飛行（ToF）技術(shù)是一種測(cè)量物體距離的方法幅骄，它通過(guò)計(jì)算光波從發(fā)射到反射回傳感器所需的時(shí)間來(lái)確定空間信息拆座。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有兩種主巍，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(guò)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(lái)測(cè)量空間信息挪凑。它使用高靈敏度的單光子雪崩二極管（SPAD）檢測(cè)單個(gè)光子孕索，適用于構(gòu)建時(shí)間的直方圖，從而確定zui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)制的光波搞旭，通過(guò)測(cè)量發(fā)射光與反射光之間的相位差來(lái)計(jì)算時(shí)間菇绵，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(lái)測(cè)量隨時(shí)間變化的光強(qiáng)
相比而言咬最，dToF除成本略高于iToF外翎嫡，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永乌。
但是不管是dToF還iToF惑申，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)算圈驼。
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)器枚荣，能夠檢測(cè)到單個(gè)光子事件碗脊。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)合衙伶。
SPAD探測(cè)器通過(guò)利用雪崩效應(yīng)放大入射光子產(chǎn)生的光電流來(lái)實(shí)現(xiàn)單光子檢測(cè)祈坠。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)矢劲。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)中丸逸，距離的測(cè)量依賴(lài)于精確地檢測(cè)發(fā)射的激光脈沖被目標(biāo)反射回來(lái)的時(shí)間蹋艺。距離越遠(yuǎn)，回波光子打到探測(cè)器的概率會(huì)越小黄刚，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)光子都非常敏感捎谨，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)用尤為重要涛救。
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业扒，對(duì)于SPAD的要求也越來(lái)越高，單點(diǎn)SPAD的壁壘也越發(fā)明顯程储，如：
單點(diǎn)SPAD通常具有較小的探測(cè)面積蹭沛，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)的整體性能虱肄，
難以覆蓋較寬的視場(chǎng)角咏窿，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)用中素征，可能需要將多個(gè)SPAD陣列集成在一起以增加探測(cè)面積集嵌，來(lái)提高信號(hào)集成御毅，但這會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本以及體積根欧。
SPAD需要一定的“死時(shí)間”來(lái)恢復(fù)到下一個(gè)光子可以被探測(cè)的狀態(tài)。在此期間端蛆，任何到達(dá)的光子都無(wú)法被檢測(cè)到（光子堆積效應(yīng)），這限制了其在高速應(yīng)用中的使用今豆。
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(lái)使用嫌拣，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异逐。
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灰瞻。
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）腥例，這種獨(dú)特的排列方式增加了有效探測(cè)面積酝润，改善了傳統(tǒng)單點(diǎn)SPAD面積小的限制燎竖。并且突破了陣列探測(cè)器中絕大多數(shù)都無(wú)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要销，每個(gè)像素的大小為23um，填充因子大于80%捐凭，單光子光電轉(zhuǎn)換效率為55%，對(duì)于探測(cè)面積凳鬓、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)間的影響缩举，可以大大的少光子堆積效應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響垦梆。
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托猩，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)間戳的信息辽慕，但是這種高度集成性并不會(huì)帶來(lái)額外的體積影響京腥，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)的大小溅蛉，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公浪。
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(lái)驗(yàn)證設(shè)備本身的性能船侧，該簡(jiǎn)易光路的激光器使用的是40MHz重頻的532nm波長(zhǎng)的激光器镜撩，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連接線宜鸯，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）顾翼，探測(cè)時(shí)間為90ms，點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕后适贸，瞬間生成直方圖灸芳，通過(guò)下圖的直方圖的圖表信息，光子的峰值在3100ps烙样，粗略計(jì)算兩者之間的距離為0.93m÷2=0.465m，通過(guò)直方圖存儲(chǔ)的可視化數(shù)據(jù)精細(xì)計(jì)算蕊肥，峰值所在的時(shí)間為第1590個(gè)Bin中谒获，也就是3180ps，所以zui終距離為0.477m批狱，這與實(shí)際量測(cè)結(jié)果相差無(wú)幾。
上述的簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)展东，可以粗略的展示SPAD23的在激光雷達(dá)方向的應(yīng)用能力，憑借著其便攜性爪膊、易用性、大面陣砸王、高速率等獨(dú)特的特性推盛，已然成為激光雷達(dá)領(lǐng)域的新秀力量谦铃。
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