據麥姆斯咨詢報道，現有LiDAR（激光雷達）系統已被用于從安全應用到測繪，再到工業自動化等各類創新應用。其中，汽車市場對LiDAR系統的發展和應用尤其關注。LiDAR掃描儀是自動駕駛汽車原型系統的關鍵組件，也是當前交通標志識別、自適應巡航控制（ACC）、盲點檢測、防撞系統和車道偏離警告等系統中的關鍵組件。

　　在上述所有基于LiDAR的系統中，有一種核心組件不可或缺，那便是LiDAR系統的“智慧之眼”——探測器。

　　本文旨在簡析LiDAR系統原始設備制造商（OEM）設計工程師在各種探測器技術中如何做出選擇。

　　背景

　　汽車LiDAR系統必須能夠快速可靠地感知車輛周圍環境，盡可能細節豐富地創建周圍環境和前方道路的3D圖像。安裝在快速行駛車輛上的LiDAR系統，需要能夠“看到”前方至少150 m的距離，并探測高度小至10 cm的障礙物。

　　汽車LiDAR掃描系統示意圖

　　上述要點對LiDAR系統的探測器，提出了極具挑戰的技術要求。

　　因而LiDAR系統需要互補但又獨立的探測器系統，同時能夠確保環境認證和功能安全性。例如，為了適應來自系統其他組件的熱量和環境溫度，設備的額定工作溫度需要達到-40 ~ 125 ℃。并且，為了能夠在各種背景噪音中準確“看到并識別”信號，探測器應具有理想的信噪比。此外，光學探測器還需要做好處理不同強度環境光的準備，因此要求探測器必須具有較寬的動態范圍。

　　除了基本的物理定律，LiDAR系統設計人員還需要考慮經濟性。汽車中的所有組件都需要成本效益。對于實際應用，最佳的性價比是先進技術能否成功應用的關鍵。

　　目前，基本所有采用遠距離LiDAR的現有汽車系統都應用了“掃描型”LiDAR設備，可以在整個場景中移動掃描激光束。當前技術的有效探測范圍一般為30~300 m。幾乎所有的LiDAR系統都使用了905 nm激光器（市場上也有部分企業如Blackmore、Neptec、Aeye和Luminar則正在研究應用1550 nm波長的激光器），該波長的激光器可以低成本地批量制造，發射非可見光高功率短脈沖光束（例如，75 W峰值持續5 ns），提供了理想的功率/成本比。這些激光器已被廣泛應用于先進的低成本硅探測器。

　　選擇最合適的探測器技術

　　隨著產業的發展，設計工程師可以為LiDAR系統選擇多種不同的探測器技術，每種技術都有各自的利弊。

　　硅PIN二極管探測器

　　這類硅基探測器具有三種類型（P型/本征/N型）半導體層疊在一起形成的結構。

　　它們具有最佳的動態范圍，可以處理大幅變化的光。例如，即使面對陽光直射，它們也能夠探測遠處物體的反射。而且，它們相對經濟。

　　不過，它們沒有能力提供大多數復雜汽車LiDAR系統所需要的高水平信噪比和帶寬。最后，它們的速度既不快也不夠靈敏。

　　硅光電倍增管（SiPM）和單光子雪崩二極管（SPAD）探測器

　　這些固態硅基探測器的制造商，最初是為專業的小型醫療和科研應用而打造的。近來，它們正積極嘗試在更大的LiDAR市場中尋求應用。

　　雖然這類探測器在功能性方面類似APD（雪崩光電二極管，下文討論），但它們針對極高的內部放大或增益進行了優化，使它們能夠檢測極微弱的光。并且，它們的速度非常快。最后，它們與常用的CMOS技術兼容，因此可以在同一芯片上與相關電子器件耦合。

　　然而，與APD的靈敏度相比，這類探測器的單光子計數器的靈敏度相當低。因此，他們必須依靠極高的多級倍增。遺憾的是，在倍增過程中，同時也提高了噪聲，這通常會顯著降低探測器的信噪比。此外，它們的放大機制也會遭受到由高溫引起的誤觸發。

　　據推測，這類探測器最關鍵的缺點是它們的高增益是以飽和問題為代價的。

　　首先，LiDAR探測器需要處理從前方物體反射回來的激光。不僅如此，一些LiDAR系統指定要求寬視場的掃描器。這為SPAD或SiPM探測器增加了大量的光線。此外，LiDAR系統在移動環境中經常遇到的某些狀況（例如對方車輛遠光燈、明亮的陽光或其他LiDAR系統），可能會使探測器面對超過其處理能力的情況而飽和，即使使用光學濾波器也會如此。

　　這類探測器通過不斷的開發克服缺陷，已常用于各類不同的LiDAR應用。然而，到目前為止，其飽和問題和上述其他挑戰，使它們無法成為遠距離掃描LiDAR的首選探測器。

　　各種探測器技術對比

　　InGaAs（銦鎵砷）光電二極管探測器

　　這類探測器通常以小尺寸用于數據通信和電信應用，但除了專門的航空航天或軍事應用之外，最近才開始應用于LiDAR系統。該技術不同于傳統的InGaAs材料硅基結構。

　　由于該類探測器激光系統常常專門針對更高波長的光譜（1550 nm，本文中討論的其它探測器為905 nm）而設計，因此該技術靈敏度更高，并可實現更高的功率。因此，與大多數其它探測器相比，InGaAs光電二極管能夠開發探測距離更遠的汽車LiDAR系統。

　　然而，即使面對幾乎可以忽略地高于正常環境的溫度，InGaAs探測器的性能也會顯著降低。因此，即使在溫和氣候下，這類探測器也可能需要專門的外部冷卻系統。

　　此外，與大量使用的硅基板相比，其基礎材料成本更高。而且，用于LiDAR系統的大尺寸InGaAs探測器，其制造將比硅設計復雜得多。到目前為止，還無法實現大規模商業量產。

　　最后，由于這項技術對于汽車LiDAR領域來說是一項新技術，當試圖圍繞InGaAs探測器構建創新的LiDAR系統時，OEM必須為花費更大的精力、時間和成本而做好準備。

　　雪崩光電二極管（APD）探測器

　　這類硅基光電探測器主要用于工業和軍事應用。它們的運行原理是通過允許進入的光子促發電荷雪崩，然后通過其內部放大機制倍增增益。通過吸收優化的結構，它們能夠將激光器近80%的905 nm反射光轉換成光電流，帶來了大輻提高的靈敏度。

　　除了突出的靈敏度，APD還具有最小的飽和度、理想的信噪比和高速優勢。它們也是市場上成本最低的探測器技術之一。

　　APD的一個潛在缺點是它們使用了與普通CMOS制造不兼容的專用雙極技術。因此，僅有少數幾家供應商可以供貨。而且，它們無法與相關的CMOS器件在同一芯片上集成。

　　不過，探測器和電子器件的封裝，可以由經驗豐富的供應商在芯片上彼此靠近的完成。兩者都可以在沒有任何影響的情況下獲得增強，以獲得最高性能。例如，專門設計的跨阻抗放大器（TIA）具有定制的增益和帶寬，可用于APD探測器陣列的補充（將光電流轉換為電壓，并調節進入系統的信號以提高增益）。這可以改善器件性能，尤其是在低光照條件下。

　　APD采用標準的、高生產率的商業化生產工藝制造，并且已經在廣泛的系統中證明了它們的性能。

　　重要的是，當以適當的方式運行時，它們結合了有目共睹的性能和極具吸引力的成本優勢。

目前，APD是汽車遠距離LiDAR系統的首選探測器，是幾款現有最復雜自動駕駛系統的關鍵組件。

　　雪崩光電二極管（APD）探測器

　　選擇最優的探測器供應商

　　在確定了合適的探測器技術后，LiDAR系統設計商在選擇合適的探測器供應商時，仍然面臨不少困難。

　　非常有必要謹慎地評估候選供應商，他們是否有潛力、技術和能力使其系統和探測器適應OEM的個性化需求和市場需求？他們是否會與OEM團隊密切合作進行設計、生產和調度，以確保贏得上市時間？

　　強調經驗

　　如果探測器供應商需要花時間加速其開發、生產、汽車產品認證和其他流程，那么LiDAR系統OEM將在加速產品上市方面落敗。

　　探測器供應商需要通過相關工作獲得經驗。一家好的候選供應商，應該已經將他們的探測器/傳感器技術用于車輛應用。這包括量身定制的標準APD設計；量身定制的標準封裝、芯片以及模組工程和制造；以及頂級電子器件。

　　一家完美的供應商需要有確定的、良好的市場供應記錄，已經有相關產品被領先的LiDAR系統OEM采用，例如汽車級APD和相關電子器件。

　　評估集成制造能力

　　LiDAR設計人員必須優先考慮具有合適技術優勢的供應商，例如最高的靈敏度和最低的噪音。然而，他們還需要尋覓那些對其領域具有整體控制能力的探測器制造商。

　　將整個制造過程作為一個連續的整體實施非常重要（從芯片加工到探測器系統的預制）。如果供應商能夠自己在內部制造所有重要元件，則可以確保所有OEM產品的長期供貨，用于支持售后服務市場和批量生產。

　　考核定制化能力

　　要想作為一家成功的LiDAR系統制造商脫穎而出，實現最佳的性價比至關重要，這有助于在這個過度擁擠的市場形成差異化優勢。現成市售的探測器可能就無法滿足要求了。因而，相關組件通常必須是量身定制的，以便完全適合所選擇的系統設計。

　　系統制造商必須找到一家響應能力和機動性很強的探測器供應商。在許多情況下，探測器供應商必須與OEM設計人員合作，為探測器和相關電子器件進行量身定制，以便與其它系統盡可能的實現一體化，從而獲得最佳的系統性能。

　　例如：設計團隊必須建立適合特定透鏡的探測器幾何形狀、優化尺寸，以及適應每種獨特光學設計的配置。此外，還必須確定理想的信道數（并行接收的信號數量），以提高LiDAR掃描儀的空間分辨率。而且，還應該為電子器件和探測器之間的最短接口，量身定制封裝方案。

　　最后，一家優秀的供應商必須能夠提供具有復雜技術優勢的探測器，例如多像素同質性。在實際使用中，非同質性和/或不同來源的光電二極管對環境溫度的反應不同，從而大大降低了LiDAR掃描儀的性能。另一方面，即使在峰值距離處，多像素同質性也可以提供最嚴格的信號信息分布。

　　審核車規級認證

　　優秀的探測器供應商應該早就意識到“上路”所需要滿足的法規要求。他們應該具備最新的穩健性驗證、汽車認證、特性規范和標準。

　　例如ISO/TS16949汽車認證的生產和測試，以及AEC-Q 102和104汽車認證的APD陣列封裝。供應商應能夠將這些及其他適合的標準應用于其所有組件和制造，遵守法規并協助系統OEM規避責任。

　　增加監管是不可避免的。供應商應通過文檔記錄的最佳規范，證明其法規遵守情況，例如福特汽車公司在其Q計劃中開創的嚴格的自我認證。

　　確保未來的持續支持

　　供應商還必須展示其良好的質量跟蹤記錄和產品交付能力，以及從初始開發到維護服務的有力支持。

　　在LiDAR系統設計之初就應考慮探測器的設計。探測器供應商越早參與，OEM的整個設計/制造過程就越容易、進展越快，所得到的LiDAR系統的性能就越好。

　　最后，供應商必須始終密切關注這個快速變化的領域的未來發展。杰出的探測器制造商應該擁有預期法規監管、業務和技術進步的創新路線圖，以為LiDAR系統制造商在這個快速變化的市場中指引方向。

　　結語

　　LiDAR系統的核心之一是探測器。系統設計商需要從眾多競爭探測器技術中做出合適的選擇。許多設計工程人員相信，APD探測器最好地結合了成本和性能優勢。LiDAR系統制造商在探測器供應商選擇方面，也應該全面的考量各種因素，例如定制化能力、經驗以及汽車級應用認證等。

　　LiDAR系統和其它移動技術正在不斷發展，選擇正確的探測器技術顯然是最重要的第一步。