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自动驾驶基础应用中的传感器:光电探测器


  来源: 汽车测试网 时间:2018-10-17 编辑:思扬
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光电探测器是将光脉冲转换成电信号的元器件,在LiDAR系统中充当眼睛的角色,是关键的传感器。目前主要的光电探测器有雪崩光电二极管(Avalanche PhotonDiode,简光电探测器是将光脉冲转换成电信号的元器件,在LiDAR系统中充当“眼睛”的角色,是关键的传感器。目前主要的光电探测器有雪崩光电二极管(Avalanche PhotonDiode,简称APD)/单光子雪崩二极管(SinglePhoton Avalanche Diode,简称SPAD)、硅光电倍增管(MPPC)和PIN光电二极管。

APD的工作模式分为线性模式和盖革模式两种。当APD的偏置电压低于其雪崩电压时,对入射光电子起到线性放大作用,这种工作状态称为线性模式。在线性模式下,反向电压越高,增益就越大。APD对输入的光电子进行等增益放大后形成连续电流,获得带有时间信息的激光连续回波信号。当偏置电压高于其雪崩电压时,APD增益迅速增加,此时单个光子吸收即可使探测器输出电流达到饱和,这种工作状态称为盖革模式。工作在盖革模式下的APD又被称作SPAD。

下图是2轴MEMS扫描镜和 SPAD图像传感器在混合固态LiDAR中的应用。




APD工作在盖革模式下,单个光子即可使其工作状态实现开、关之间的转换,形成一个陡峭的回波脉冲信号,因而具备单光子成像的能力。该种光电探测器的灵敏度极高,探测距离理论上可以非常远,三千公里都不成问题,若干年前就已在军事领域(隐形飞机、导弹系统)大有所为。因此,APD的盖革模式非常适合用在LiDAR。

下图对APD在线性模式和盖革模式下的光子探测能力做了比较。




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。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10^5~10^6,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,拥有小而有效面积、更多像素结构的MPPC不仅具备较快的时间特性(上升时间仅1纳秒左右),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”。

滨松于今年正式发布了最新的近红外MPPC研制成果,推出了红外增强型MPPC S13720系列。其在905纳米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。下图是滨松推出的红外增强型MPPC(硅光电倍增管)S13720系列。




硅PIN光电二极管成本低,且不易受周围环境光的干扰,但相比APD/SPAD和MPPC,探测距离较短。硅PIN光电二极管的上升和下降时间非常短(通常为10纳秒或更短),因此非常适合于接收25纳秒数量级的光脉冲。此外,硅PIN光电二极管表现出非常高的线性度,甚至在强光条件下都可以检测到非常小的信号。硅PIN光电二极管可形成一维或二维阵列,可以集成于速度快、无运动部件的2D或3D传感器,从而对物体的存在、位置和速度提供快速且准确的信息。

下面简单介绍几家混合固态LiDAR的企业和研究机构。

(1)LeddarTech

关键词:自动驾驶 传感器 探测器    浏览量:3232

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