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基于激光测距技术核心元件SPAD的分析与研究

发布时间:2020-01-19 11:50 作者:ca88手机客户端登录

  摘要:单光子雪崩光电二极管(SPAD:Single Photon Avalanche Diode)技术采用盖革模式下的雪崩光电二极管作为核心探测器,具有高灵敏度、高增益、高速等特点,在激光测距应用上具有显著优势。基于SPAD技术的激光测距研究录吸引了世界各大研究机构和众多高科技公司的注意力,发展势头非常迅猛,有望成为无人驾驶领域中激光雷达应用的新一代核心探测器。详细描述了不同研究单位对SPAD技术在激光测距应用上的研究现状,以国内外最新研究成果为切入点,着重分析其SPAD探测器的设计原理、应用成果等,深入剖析SPAD技术在激光测距应用中的优缺点,预测了其发展趋势及应用前景。

  SPAD(Single Photon Avalanche Diode)技术,即单光子雪崩二极管技术,其核心是工作在盖革模式的雪崩光电二极管。当施加在二极管两端的工作电压高于雪崩击穿点时,二极管处于强反偏状态,耗尽区产生强电场;此时,若一个光子进入耗尽区,其有很大的概率被吸收并产生光生电子-空穴对,光电子在强电场的作用下加速运动,碰撞晶格产生更多电子-空穴对,通过倍增效应,能在极短的时间内产生一个106级的增益。凭借单光子雪崩二极管单光子级的灵敏度、超高增益以及超快速响应,其在激光测距领域极具优势。

  国际上对SPAD技术的研究已经经历了很多年,目前主流机构主要集中在欧洲和美国。英国爱丁堡大学、瑞士洛桑联邦理工学院、意大利米兰理工、美国加州大学、哥伦比亚大学等诸多高校都有深厚的研究基础。

  主要分析诸多研究机构近两年来的最新研究成果,着重分析SPAD探测器的设计原理,应用成果,深入剖析SPAD技术在激光测距应用中的优缺点。

  2016年,瑞士洛桑联邦理工学院研制了一款256×1的SPAD线阵型激光测距探测器,如图1所示。其采用0.35μm高压工艺研制,单像素尺寸为24μm,占空比为40%,TDC电路采用外部低成本的Xilinx Spartan6 FPGA实现。TDC电路通道为64路,时间精度达到25ps。

  芯片通过FPGA实现时序控制与数据采集,配备光学镜头以及激光发射装置后固定在实验支架上,通过扫描装置实现对成像物体“杯子”的3-D扫描成像,具体实验装置如图2所示。实验中所用“杯子”的宽度为55mm,高度为45mm,采用的激光波长为660nm,激光重复频率为66MHz。实验结果如图3所示,图中每个“bin”代表的时间为25ps,“杯子”测量得到的“bin”值分布在290~306,对应的光子飞行时间为7.25ns~7.65ns。图中偏深色部分表示飞行时间短,距离近;偏浅色部分表示飞行时间长,距离远,符合“杯子”的形状特点。

  2017年,英国爱丁堡大学基于CMOS SPAD技术研制了一款1024×8的线阵型激光测距探测器,其版图及尺寸如图4所示。该研究团队采用0.13μm CMOS工艺技术,实现单像素尺寸23.78μm,像素占空比达到49.31%的探测器研制。设计的时间数字转换电路(TDC电路)有512通道,单通道计数值为16bit,时间精度达到50ps,其具体TDC电路结构和时序图分别如图5、6所示。

  其采用差分反相器结构作为环形振荡器的基本结构,利用差分反相器的延时作为单级时间基准,整个环形振荡器的延时时间作为粗计数时间基准。4bit细计数用于记录八级差分反相器的最终相位,12bit粗计数用于记录粗计数周期数,通过读取这16bit的数据,可以得到从开始信号到结束信号之间的时间间隔。最终通过推算出的光子飞行时间,可以算出物体到探测器之间的距离。

  2017年,意大利FBK机构研发了一款64×64的SPAD面阵探测器,版图结构如图7所示。其采用CMOS 150nm 6M工艺,芯片总体尺寸为4.4mm×4.4mm,单个像素尺寸为60μm,占空比为26.5%,采用八个SPAD单管合并作为一个像素。芯片片上集成TDC电路,TDC电路的时间精度为250ps,采用16bit计时位数。

  其应用模式有短距离的3-D成像模式和长距离的单点测距模式,通过电路选择控制可自由切换两种模式,成像模式示意图如图8所示。在短距离模式下3-D成像最远距离可达300m,距离精度为0.2m;在长距离模式下,最高测距距离为6km,距离精度为0.5m。长距离模式下,考虑到激光功率、反射光能量等问题,只能进行单点测量,通过改变激光发散角,可实现激光集中度的调节,以适应不同模式下的激光需求。

  八个SPAD探测器组成的单像素结构如图9所示。八个探测器输出到一根线上,通过SmartTrig模块判断线上的pulse信号是否满足一定条件,该条件在这里为是否有三个时间上很紧密到来的信号,最终产生TDC模块所需的start信号和stop信号。由于其采用了八个SPAD探测器合并输出,可有效避免噪声信号的误判,识别准确度可有所提升。

  在短距离3-D成像模式下,探测器对实验场景进行探测成像,通过采集30k个点进行数据处理与图形可视化,得到图10的实验结果。图中可以看到,倾斜高地、平地和箱体分别在不同的平面上,且轮廓及界面都非常清晰。

  基于不同探测器的激光测距技术在不同应用领域存在着各自的优劣势;基于SPAD技术的激光测距应用在探测器结构的设计、TDC电路的选择等问题上也有不同的优劣势。下面将从上述两个方面的对比展开,分两部分着重对比分析。

  目前,主流的激光测距应用中多采用普通的雪崩光电二极管APD作为核心探测器。与APD探测器相比,SPAD探测器优势在于其具有更高的增益,更高灵敏度,更快的响应速度,而且纯数字型SPAD探测器的响应波形具有很好的一致性;而APD探测器在接收光强弱不同的情况下,产生的波形具有不同的上升沿且最终强度也不同,需要后端复杂电路的处理来补偿波形不一致带来的问题。另外,SPAD探测器便于片上高度集成,包括逻辑控制电路,TDC电路,读出电路等均可实现单一芯片的高密度集成;而APD探测器多为分立元器件,在阵列组成中需要进行外部拼接,拼接难度还比较大,调配也较为复杂。成本方面,SPAD技术兼容标准CMOS工艺,可采用各类相对较低成本的标准CMOS工艺研制,成本较低。然而,在激光测距应用中,SPAD探测器也具有很大的不足。噪声和信号的不可分辨性是SPAD探测器面临的一大难题,由于界面态杂质热运动等原因造成的暗计数以及由于环境光产生的噪声信号在波形上是和有效信号完全一致的,所有当有效信号来临之前一旦有暗计数或环境噪声信号产生,TDC计时电路就会将其视为有效信号,从而产生测量上的误差甚至是错误。另外一大不足是CMOS工艺下研制的SPAD探测器是以硅基为主要材料的,其很难对波长大于800nm的激光产生响应,在考虑人眼安全等激光测距领域的应用中会受到较大的限制。

  对于SPAD技术在探测器芯片中的不同设计方案,也各有优缺点。目前,从阵列形式上来看,主流的设计方案有线阵和面阵两种。线阵探测器在激光测距应用中,对激光功率的要求相对会小一些,但需要配合机械扫描装置进行扫描探测,系统复杂度相对较高;面阵探测器对激光功率要求相对较高,但可以进行凝视探测,实现固态雷达测距方式,系统复杂度较低且成本会降低。从像素结构来看,主流的设计方案有单个SPAD器件作为一个像素点和多个SPAD器件合并作为一个像素点。在激光测距应用中,单个SPAD器件作为像素点的方案会带来明显的噪声干扰,难以将暗计数、环境光等噪声因素与有效信号区分开,相对应用效果会差一些;多个SPAD器件作为个像素点的方案可以通过一定的条件判断,实现噪声的滤除,能更准确地获得有效信号。在TDC电路的设计上,主流的方案有TDC电路集成在芯片内部和TDC电路由外部FPGA实现两种。外部FPGA实现的方案相对灵活可配置一些,但也会带来系统的复杂度加大的问题以及成本上升的问题。内部集成TDC电路的方案是较为一体化的方案,但对设计要求相对较高,高精度的时间分辨率和电路的复杂度是一对矛盾。如果追求更高精度,必然导致电路会比较复杂,从而在像素级集成TDC电路会变得比较困难;如果追求集成度,在每个像素上集成TDC电路,那么电路结构势必不能过于复杂,则时间分辨率就会下降。

  综上,基于SPAD技术的激光测距方案与APD相比各有特点;不同SPAD探测器设计方案之间也各具优劣势,在实际应用中需要清楚这些优劣势,做到扬长避短。

  基于SPAD技术的激光测距方案在激光雷达领域是一种可行的、极具竞争力的新型方案,很大科研机构和公司都投入大量人力物力财力加紧研发。从目前最新的各项研究成果来看,其研究的发展趋势如下:

  随着研究的深入,上述发展趋势有望逐一突破,实现SPAD技术在激光测距领域的稳定及广泛应用。所以,现在可以说,SPAD技术是非常有望成为激光测距领域中的新一代核心探测技术。

  本文对SPAD技术在激光测距应用中的研究进行了深入分析,剖析了其制作工艺、像素结构、TDC电路设计以及成像结果。对基于SPAD技术的激光测距的特点进行了总结,与APD技术进行了优劣势对比;同时对不同体制的SPAD探测器进行了分析。预测了SPAD技术在激光测距领域的发展趋势,SPAD技术在激光测距领域中的将扮演极为重要地位。返回搜狐,查看更多

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