硅光电倍增管用于直接飞行时间测距应用（一）：直接ToF测距系统的设计

本白皮书旨在协助开发基于硅光电倍增管(SiPM)的激光雷达(LiDAR，光探测和测距)系统。下面的章节包含了以下信息：直接飞行时间(ToF)测距仪的激光器、计时和光学参数的设计和实现，以及详细分析将SiPM整合到此类系统中时必须考虑的关键方面。

前言

LiDAR是一种测距技术，正越来越多地用于移动测距、汽车ADAS(先进驾驶辅助系统)、手势识别和3D绘图等应用。与雪崩光电二极管(APD)、PIN二极管和PMT等替代性传感器技术相比，采用硅光电倍增管(SiPM)作为光敏传感器有许多优势，特别是对于移动和大批量产品而言。

安森美(onsemi)的SiPM提供：

从250纳米到1100纳米的单光子探测

低电压——易于实现系统要求

低功耗——较低的工作电压和简单的读出电子装置实现低功耗设计

高带宽和快速响应时间——最小化测距时间

能够利用低激光功耗直接ToF测距技术的优势

低噪声和高增益——可实现好的信噪比(SNR)

标准CMOS制造工艺——成本低，高度一致性，可扩展生产

小尺寸SMT封装——可提供1毫米的传感器

与其他传感器相比，迁移到SiPM传感器技术会带来一系列不同的限制。本白皮书旨在帮助用户充分利用该技术的优势，并尽快实现采用SiPM传感器的工作设置。

为此，安森美创建了三个工具来帮助用户；一个用于仿真的MATLAB测距模型，一个测距演示器硬件装置，以及本文文件。

我们创建了一个直接ToF系统的详细MATLAB模型，以便于仿真基于SiPM的测距应用。该模型可用于支持测距系统的设计，并可进行修改以仿真各种应用和实施。

一个基于SiPM的LiDAR演示系统已建成。对这个“第一代”系统进行了测量，并用于验证MATLAB模型的仿真结果。

本文文件旨在帮助新用户开发基于SiPM的直接ToF测距系统。它讨论了各种系统和环境因素对所产生的信噪比的影响。

直接ToF测距系统的设计

一个直接的ToF测距系统所需的基本组件，如图1所示

• 一个带有准直光学系统的脉波激光器
• 一个带有检测光学组件的传感器
• 计时和数据处理电子装置

图1. 直接ToF测距技术概览

本文档聚焦激光器、传感器、读出器和应用环境的系统设计。本白皮书中的单点、直接ToF基线工作可以扩展到更复杂的扫描和成像系统。在直接ToF技术中，一个周期性的激光脉波被指向目标，通常采用对眼睛安全的红外区功率和波长。

目标扩散并反射激光光子，一些光子被反射回传感器。传感器将检测到的激光光子(和一些由于噪声而检测到的光子)转换为电讯号，然后由计时电子装置进行时间标记。这个飞行时间t，可用来计算到目标的距离D，计算公式D=ct/2，其中c=光速，t=飞行时间。传感器必须将返回的激光光子从噪声(环境光)中区分出来。每个激光脉波至少捕获一个时间标记。这称为单次测量。

结合许多单次测量的数据以产生一个测量值，信噪比可以得到极大的改善，从中可提取出检测到的激光脉波计时，具有高精度。有几种不同的读出技术可从检测到的激光光子脉波中获取计时信息，总结如下：

测距读出技术

LED(前缘识别)——涉及对多光子讯号的上升沿的检测。计时的准确性是由辨别返回的光讯号的上升沿的能力决定的。这种技术不受激光脉波宽度的影响。

全波形数字化——全波形被数字化，可以过采样以提高精度。对于短激光脉波或高重复率源来说，可能难以实现。

TCSPC(时间相关的单光子计数)——提供最高的精度和最大的环境光抑制。这种技术要求每个激光脉波检测不到一个讯号光子。这种技术可以不受环境光的影响，但需要短脉波时间、高重复率和快速计时电子装置，以实现快速和准确的测量。

SPSD(单光子同步检测)——TCSPC的一种形式，提供高环境光抑制。必须设计电子装置来处理范围模糊的问题。

建模一个直接ToF测距系统

我们创建了一个直接ToF系统的MATLAB模型。该模型的框图如图2所示。该模型给定一组与表1中所示相似的系统参数，目的是预测系统的整体性能。第一步包括分析计算传感器的光照度(包括环境光和激光)，给定一个选定的光学场景，可以通过改变相应的系统参数来改变。通过比较计算出的光照度与传感器的饱和极限，可以验证所选择的设置是否适合测距。在特定设置不适合测距的情况下，可以通过改变系统参数来评估设置本身的改进。

该模型的第二部分包括一个Monte Carlo 仿真器，其中传感器的随机特性，主要是光子探测效率(PDE)和时间抖动，被再现。这一步允许通过仿真获得传感器的现实输出。与分析部分相比，这一步考虑到了计时信息，如采集时间、激光的重复率和激光脉波宽度。Monte Carlo 仿真的结果被传递给一个读出模型，通常是一个鉴别器，然后是一个TDC(时间到数字转换器)，它产生一个时间戳的柱状图，从中可以提取一个范围测量。

图2. 光照度的计算结合Monte Carlo仿真器，从而可以再现完整的系统输出。

表1. SiPM直接ToF测距系统中的变量

测距直方图

每次发出激光脉波时，采集系统都会进行一次单次测量。取决于许多因素，包括激光功率和与目标的距离，每个脉波检测到的激光光子数量可能很低。理想情况下，每个检测到的光子都会用时间标记。但每个单次测量的时间标记数量可能受到TDC死区时间的限制。通常情况下，许多单次测量的时间，各包含一个或多个时间标记，结合起来可产生一帧。在一帧过程中获得的完整计时数据可以以直方图的形式绘制出来，如图3所示。

系统测距性能受到直方图数据质量的限制，而直方图又受到系统参数的影响。从第7页“改变系统变量的影响”一节中详述的系统参数分析中可以看出，有一些限制因素和一些可以作出的取舍。下面使用的测距直方图也提供了一个直观的表示，这对于描述各种参数对所采集数据的影响是很有用的。基本直方图讯号和计时参数说明如下。

直方图的信噪比，SNRH，是讯号峰值与最大噪声峰值之比。SNRH = 讯号峰值/噪声峰值。

在模型中，以下术语适用于测量时间：f = 激光频率。

激光重复率限制了可以测量的最大ToF，无失真，这定义了每次单次测量的时间。

单次测量时间，tss = 1/f。

帧大小是指每张直方图的单次测量数。较大的帧大小可以提高SNRH，产生更好质量的直方图。测距速度由帧率定义：帧率=每秒测距次数 = 1/ tacq

图3. 显示讯号、噪声和飞行时间的仿真直方图实例