自动驾驶基础（三十七)--光电探测器介绍

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

LeddarTech公司总部位于加拿大，专注于为自动驾驶汽车和驾驶辅助系统开发自己的LiDAR技术。集成在汽车前大灯中的LeddarTech混合固态LiDAR，视场角60°x20°，探测距离300米（汽车）、200米（行人）。激光光源通过MEMS扫描镜发射后形成行面阵，对前方物体和路面进行扫描，具有高“距离/功率”比、在能见度较低的情况下完成对目标的探测以及分辨多个目标的能力。下面是LeddarTech混合固态LiDAR结构示意图。

（2）Pioneer

日本著名企业先锋集团（Pioneer），从影碟机技术积累转战LiDAR，从车载娱乐影音、导航延伸到自动驾驶。先锋正在开发一款高性能、紧凑、低成本的3D LiDAR传感器。3D LiDAR采用MEMS扫描镜，具有小孔径透镜的特征，并通过优化光学设计，可以被投入到实际的车载应用中。先锋将向汽车制造商、ICT（信息、通信、技术）相关企业以及日本和海外一些公司提供3D LiDAR样品，预计在2020年投入量产。下图是先锋近期发布的使用MEMS扫描镜的3D LiDAR。

3）Cepton

Cepton成立于2016年，总部设在美国硅谷，由四位来自斯坦福大学背景、并有丰富经验的半导体行业老兵创立。Cepton的技术比较特殊，团队成员称其技术与MEMS扫描镜是最相近的，但又不是MEMS扫描镜，而是采用Micro-motion（微动原理），并且自己开发了微动器件。这家公司比较神秘，相关的专利还未到公开的时间（专利申请后需18个月才公开）。Cepton虽然未使用MEMS扫描镜，但仍然采用微动技术的半导体芯片，依然属于混合固态LiDAR大军。究其具体技术，或许明年我们就可以揭开神秘的面纱。下图是CeptonHR系列LiDAR产品。

4）Draper

     Draper是一家美国非盈利性研发组织，总部位于美国马萨诸塞州的剑桥，其官方名为“The Charles Stark DraperLaboratory, Inc”。该研究组织专长于设计、开发并应用先进技术解决方案，以解决国家安全、太空探索、健康医疗和能源领域的各种问题。其正在开发的一款混合固态LiDAR传感器采用MEMS扫描镜技术，预计在规模量产后，成本仅需50美元。这款LiDAR传感器将具有300米的探测距离，角分辨率小于0.1度，扫描速率为20帧/秒。

（5）Spectrolab

Spectrolab是波音公司的全资子公司，是航天器动力系统太阳能电池的全球领先供应商。其推出的MLS201采用MEMS扫描镜，1550纳米短波红外激光，探测距离为20米，适合室内外物体的探测。

目前看来，混合固态LiDAR系统研发方面，国外企业已经具有领先优势。而国内企业如速腾聚创、镭神智能、禾赛科技等则处于蓄势待发的状态。