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激光雷达技术与新型近红外MPPC
来源: 发布时间:2017-05-24
什么是激光雷达?

如今,“激光雷达”已不是什么陌生的概念了,特别是随着自动驾驶的热潮,它也备受瞩目。

自动驾驶
图源:souhu.com

激光雷达实际上是一种工作在光学波段(近红外)的雷达,最早对它的定义是LIDAR,即 Light Detection and Ranging。不过,更准确的应该是“LADAR”这种叫法,即Laser Detection and Ranging,激光探测和测距。

特点

与同样在汽车中有着一定应用的微波雷达相比,工作在光学波段的激光雷达其频率比微波高2-3个数量级以上,有着更高的距离分辨率、角分辨率和速度分辨率。因此,激光雷达在测量过程中可带来距离、角度、反射强度、速度等更丰富的信息,凭借这些数据便可生成目标多维度的图像,协助我们或系统对探测目标拥有更详细的认知。


另外,由于激光波长短,能发射发散角非常小(μrad量级)的激光束,多路径效应小,即不会形成定向发射,与微波或者毫米波产生多路径效应,抗干扰能力强,可实现低空、超低空目标的探测。而激光主动探测拥有不依赖于外界光照条件或目标本身辐射的特性,只需通过探测自身发射的激光束的回波信号来获取目标信息,所以还可实现全天候的工作。不过,激光雷达易受大气条件以及工作环境的烟尘影响,要实现全天候的工作环境在目前来讲还是最困难的事情。

原理

实际上,激光雷达技术的前提是激光测距技术。我们通常能见到的测距方法,从大类上可以分为:激光飞行时间(Time of Flight,TOF)法和三角法。简单来讲,它们分别适用于长距离测距和短距离测距。
点击此处,详细了解激光测距的几种方法>>

TOF测距原理示意
而TOF法又可分为:
a)脉冲调制(脉冲测距技术),利用被测目标对光信号的漫反射来测距;
b)相位调制,对激光连续波进行强度的调制,通过相位差来测量距离信息。

而激光雷达对不同方法的选择主要取决于它的种类和实际应用。

分类

激光雷达也分很多类别。从调制出发,目前主要有直接探测激光雷达和相干探测激光雷达。现在常见的,包括自动驾驶、机器人、测绘所用的,基本上属于直接探测激光雷达。比较特殊的,比如测风、测速之类的雷达,则一般采用的是相干调制。

直接探测类型的激光雷达应用

中国海洋大学研发的车载多普勒测风激光雷达
图源:qingdaonews.com

如果从应用出发,那分类就较多了,比如激光测距仪、激光三维成像雷达、激光测速雷达、激光大气探测雷达等等。其中,激光三维成像雷达就包含了我们熟知的激光测绘,以及自动驾驶中的单线激光雷达和多线激光雷达。

自动驾驶中激光雷达是什么样子?

正如上文提到的,在目前的自动驾驶中,有单线激光雷达和多线激光雷达之分。由于在应用中需要很高的采样频率,在近距离和远距离测量中则分别用到三角测距法和脉冲测距法。

其中,单线激光雷达主要通过一个高重频脉冲激光测距仪,加上一个一维旋转扫描来实现测量。而它的角分辨率可高于多线激光雷达,所以在行人探测、障碍物探测(小目标探测)以及前方障碍物探测等方面上,比多线激光雷达具有更多优势。多线方案目前也主要为多路单线集合而成,因而还受到体积和光路的限制。

“长”在自动驾驶汽车头上的激光雷达系统

这里可能有人会问了:“除了避障,为什么还要用激光雷达来做车道检测,而不直接使用相机?ADAS 算法不已非常成熟了吗?”

原因很简单,相机特别容易受到背景光或者强光的干扰。比如,行驶在林荫大道时,树荫落下斑斑点点的阳光,再结合白色车道线,相机就很难辨识,而识别概率的低下则将造成算法的复杂化。

那么,用激光雷达来做车道检测又有什么好处呢?

首先,激光雷达用的是红外激光,这种激光本身在红外波段的辐射比可见光要低得多。再者,应用中会利用一个非常窄的滤光片,直接将强背景光滤除,然后再用红外光进行探测。这样我们就能获得一张超高质量的车道线图像,通过图像的灰度,就能轻松的把车道线检测出来。总体来说,用激光雷达做车道线检测,性能会比相机更优。

相机、雷达和激光雷达的比较
图片来源:toutiao.com

激光雷达和新型光电探测技术  

针对单线和多线激光雷达,高速、高增益且在近红外波段高灵敏度的单点探测器APD(雪崩二极管)是目前探测端的首选。该器件的探测带宽普遍在百MHz左右,且在高压工作时有几十倍的增益,能够大幅增强光电信号。然而,在百米量级的探测中,APD所能达到的增益效果仍然不能满足需求。 于是,自动驾驶激光雷达急需全新的探测器的出现。这个探测器需要拥有更大的增益,且工作在近红外光范围。

不过,随着MPPC的诞生,自动驾驶激光雷达也看到了新的曙光。

MPPC是一种俗称硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier,SiPM)的新型光半导体器件,根据其原理可称多像素光子计数器(Multi-Pixel Photon Counter,MPPC)。其由多个工作在盖革模式的APD阵列组成,具有高增益、高探测效率、快速响应、优良时间分辨率和宽光谱响应范围等特点。

当MPPC中的一个像素接收到一个入射光子时,就会输出一个幅度一定的脉冲,如图显示,多个像素如都接收到入射光子,则每个像素都会输出一个脉冲,这几个脉冲最终会叠加在一起,由一个公共输出端输出,以此达到更大的增益。

相比APD,MPPC的增益可达到105-106,这样在理论上,可以在更短的时间内得到更长的距离信息,探测带宽也与APD不相上下。另外,拥有小有效面积、更多像素结构的MPPC不仅具备较快的时间特性(上升时间仅1ns左右),还可利用它独特的光子分辨能力,将不同表面反射率的物体识别出来,从而达到测距同时分辨物体表面特性的目的。从这些性能上来看,MPPC非常适合脉冲测距法的应用,是自动驾驶上一维激光雷达的理想小伙伴。


MPPC、APD和PIN光电二极管的比较

除了高性能以外,想真正成为激光雷达的伙伴,应用的MPPC器件还必须工作在近红外光范围内,然而这并不是一件容易的事。

一方面,MPPC一般都是P-on-N的半导体结构,而近红外需要N-on-P的半导体结构;另外更重要的一点,就是硅基材料要做到近红外波段是非常困难的,再加上各方面的工艺问题,如今研制成功且实现可量产的案例少之又少。

不过,通过对技术难题的逐个攻破,滨松公司终于于2017年初发布了最新的近红外MPPC研制成果,推出了红外增强型MPPC S13720-1325系列。其在905nm处具有较高的探测效率,响应速度快,工作温度范围宽,适合各种场合下的激光雷达应用,尤其是使用TOF测距法的长距离测量。现在,也已正式向全球市场开放供应。

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自动驾驶如今是一个炙手可热的话题,但是,真正将热点变为大众日常生活的一部分,行业中的创造者们可能还有一段曲折的路要走。其中,激光雷达作为自动驾驶核心技术之一,也是他们必经的挑战。

而滨松对近红外MPPC技术的攻克,意味着的不仅只是一次半导体技术的突破,还是一次自动驾驶激光雷达技术大步跨跃的可能。让我们寄期待于这位新伙伴,为自动驾驶带来更好的未来吧!

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相关资料
MPPC and MPPC module for precision measurement / English version [5.7 MB/PDF]
用于精密测量的MPPC(硅光电倍增管)及模块 / 中文版 [4.16 MB/PDF] 
Detector for distance measurement [3.6 MB/PDF]
Photodetectors for LiDAR [3.7 MB/PDF]
MPPC, MPPC module [1.1 MB/PDF]
Chapter 03 Si APD, MPPC [6.6 MB/PDF]



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