Phlux“無(wú)噪聲”二極管技術(shù)實(shí)現(xiàn)更高效的LiDAR
經(jīng)過(guò)多年對(duì)InGaAs結(jié)構(gòu)的研究，LiDAR開(kāi)發(fā)人員現(xiàn)在可以做出增益更高的APD。這提高了激光雷達(dá)的精度，且不用對(duì)基礎(chǔ)電路進(jìn)行巨大改動(dòng)。
光探測(cè)和激光測(cè)距（LiDAR）設(shè)備已成為汽車(chē)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部件，這些設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了從三級(jí)控制到完全自動(dòng)駕駛的高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）。
激光雷達(dá)的工作原理是以掃描模式發(fā)射由激光器產(chǎn)生的紅外光脈沖，計(jì)算激光雷達(dá)掃描范圍內(nèi)物體反射的每個(gè)光脈沖到達(dá)光電探測(cè)器的時(shí)間，軟件利用時(shí)間來(lái)估算物體的距離，并可根據(jù)脈沖強(qiáng)度和形狀等其他屬性來(lái)獲取每個(gè)被檢測(cè)物體的更多信息。
測(cè)定距離、形狀和大小
利用脈沖測(cè)得的在水平面和垂直面上的角度以及到物體的距離，軟件可以在掃描范圍內(nèi)建立一個(gè)球面坐標(biāo)空間三維模型。這樣就能利用激光雷達(dá)繪制出儀器掃描范圍內(nèi)的環(huán)境地圖。
激光雷達(dá)估算潛在障礙物的距離及其大小和形狀 沃爾沃汽車(chē)
由于激光雷達(dá)在實(shí)時(shí)探測(cè)車(chē)輛面臨的危險(xiǎn)方面具有優(yōu)勢(shì)，因此現(xiàn)在已成為高級(jí)ADAS的核心組件。激光與雷達(dá)配合使用，這不僅能準(zhǔn)確估計(jì)潛在障礙物的距離，還能估計(jì)其形狀和大小，整體性能會(huì)更為卓越。
紅外光可穿透霧、霾和灰塵
汽車(chē)行業(yè)中有兩種波長(zhǎng)的光適合用于ADAS，其中一種是905nm。然而使用905nm的光存在幾個(gè)問(wèn)題，其中一點(diǎn)是自然陽(yáng)光和其他環(huán)境光源的干擾，因?yàn)?05nm在可見(jiàn)光區(qū)域附近。
905nm光的另一個(gè)問(wèn)題是眼睛安全。由于該波長(zhǎng)會(huì)被水蒸氣和灰塵吸收，因此在較遠(yuǎn)距離使用時(shí)需要較高的激光功率。但由于該波長(zhǎng)光接近可見(jiàn)光范圍，因此功率增大的同時(shí)也帶來(lái)了對(duì)道路使用者和行人眼睛造成傷害的風(fēng)險(xiǎn)。因此905nm現(xiàn)在被認(rèn)為更適用于車(chē)輛側(cè)面和角落的短距離激光雷達(dá)應(yīng)用，在這些地方激光功率可以保持在較低水平。
另一種是1550nm的光，它遠(yuǎn)離可見(jiàn)光譜，因此使用比905nm的激光器更強(qiáng)的激光器符合1級(jí)安全標(biāo)準(zhǔn)。再加上其穿透霧、霾和灰塵的能力更強(qiáng)，因此1550nm的激光雷達(dá)更適用于需要檢測(cè)距離車(chē)輛100米以上潛在障礙物的前向式激光雷達(dá)系統(tǒng)，這也是高速自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵要求。
探測(cè)遠(yuǎn)距離物體
與905nm相比，使用1550nm波長(zhǎng)還具有其他優(yōu)勢(shì)，包括減少陽(yáng)光干擾以及與電信市場(chǎng)使用的光纖組件有更好的兼容性?；?550nm激光器的激光雷達(dá)系統(tǒng)可以受益于成熟的光纖技術(shù)以及為電信行業(yè)制造的組件和基礎(chǔ)設(shè)施，這有助于降低成本和提高可靠性。
探測(cè)器對(duì)1550nm的響應(yīng)度也不同于905nm，探測(cè)器更容易檢測(cè)到高吸收率物體反射的光，如路面上的橡膠輪胎。即使在較高的激光功率水平下，ADAS要及時(shí)探測(cè)到遠(yuǎn)距離的此類(lèi)物體并做出反應(yīng)仍需要高響應(yīng)度的探測(cè)器陣列。
斜面的吸收和反射以及大氣條件都會(huì)使回射光的檢測(cè)更加困難，尤其是在環(huán)境噪聲可能很普遍的情況下，這會(huì)對(duì)探測(cè)器元件的性能提出更高的要求。
半導(dǎo)體材料的光子吸收效率比較
噪聲掩蓋了激光雷達(dá)中的微小脈沖
硅光電二極管通常用于波長(zhǎng)為905nm的應(yīng)用，而InGaAs等化合物半導(dǎo)體在波長(zhǎng)更長(zhǎng)的1550nm上具有更高的響應(yīng)度。InGaAs-APD可以有效放大激光雷達(dá)應(yīng)用中的低強(qiáng)度光信號(hào)。
當(dāng)光子撞擊APD的吸收層時(shí)，會(huì)產(chǎn)生成對(duì)的電子和空穴，電子在釋放的能量推動(dòng)下進(jìn)入導(dǎo)帶。施加在APD上的反向偏置電壓會(huì)加速導(dǎo)帶電子向帶正電的陽(yáng)極移動(dòng)。當(dāng)電子進(jìn)入雪崩層并與雪崩層內(nèi)的原子碰撞時(shí)，它們釋放的動(dòng)能會(huì)引發(fā)產(chǎn)生更多的電子-空穴對(duì)。雪崩效應(yīng)產(chǎn)生的光電流比最初的光子相互作用產(chǎn)生的光電流更高，提高了讀出電路的信號(hào)。
激光雷達(dá)系統(tǒng)通常使用跨阻抗放大器(TIA)將APD產(chǎn)生的電流脈沖轉(zhuǎn)換為電壓脈沖。時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以更輕松地處理這些信號(hào)，并提供算法所需的信息。APD的增益越高，每個(gè)脈沖的輸出電平就越強(qiáng)，但背景噪聲也會(huì)越大。這種噪聲是雪崩過(guò)程的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)造成的，因?yàn)槊總€(gè)入射光子引發(fā)的碰撞次數(shù)可能會(huì)有很大差異。設(shè)計(jì)增益過(guò)高的二極管會(huì)導(dǎo)致TIA輸出產(chǎn)生過(guò)多的背景噪聲，從而掩蓋來(lái)自遠(yuǎn)處低反射率物體的產(chǎn)生的微小脈沖。
噪聲對(duì)APD輸出的影響
高溫條件下性能穩(wěn)定
過(guò)量噪聲系數(shù)在很大程度上取決于空穴與電子的電離系數(shù)，理想情況下該比值應(yīng)低于1.當(dāng)該比值接近1時(shí)，過(guò)量噪聲系數(shù)會(huì)將傳統(tǒng)InGaAs二極管的有效增益限制在40以下，盡管該噪聲系數(shù)優(yōu)于鍺器件。硅的電離比明顯較低，因此905nm激光雷達(dá)中使用的硅APD的增益可以達(dá)到幾百或更高。
英國(guó)謝菲爾德大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，在InGaAs探測(cè)器制造工藝中添加銻合金可以抑制傳統(tǒng)器件中出現(xiàn)的過(guò)大噪聲系數(shù)。Phlux Technology 公司根據(jù)這些研究成果，經(jīng)過(guò)八年的研發(fā)優(yōu)化，推出了一系列APD器件，在噪聲成為問(wèn)題之前，其增益可達(dá)120或更高。與傳統(tǒng)的InGaAs器件相比，這些器件還具有更快的過(guò)載恢復(fù)能力，這樣就能可靠地檢測(cè)到緊隨大脈沖的較弱的次級(jí)脈沖。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是溫漂比不使用銻合金的器件低十倍，而且高溫性能更穩(wěn)定。
無(wú)噪聲技術(shù)增加激光雷達(dá)的探測(cè)距離
使用Phlux開(kāi)發(fā)的“無(wú)噪音”技術(shù)，可將激光雷達(dá)的有效范圍擴(kuò)大50%，而范圍是ADAS 3級(jí)及以上的一個(gè)重要因素。更高的響應(yīng)度增強(qiáng)了系統(tǒng)在高速行駛時(shí)探測(cè)道路上、附近或遠(yuǎn)處小物體的能力。它還能檢測(cè)到反射率低的小物體，而傳統(tǒng)的APD傳感器可能會(huì)漏掉這些物體。此外設(shè)計(jì)人員還可以利用增益的提高來(lái)權(quán)衡激光功率與探測(cè)距離，從而節(jié)省能源。
新型“無(wú)噪聲”InGaAs APD可將激光雷達(dá)的射程提高50%
更低的激光功率簡(jiǎn)化了熱管理并降低了對(duì)光學(xué)元件的要求，無(wú)噪聲InGaAs APD在熱穩(wěn)定性上的提高使其在不同的環(huán)境條件下都能進(jìn)行更精確的測(cè)量。
由于Phlux通過(guò)對(duì)InGaAs結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期研究，并對(duì)材料和制造工藝進(jìn)行了改進(jìn)，激光雷達(dá)設(shè)計(jì)人員可以充分利用增益更高的APD來(lái)節(jié)省功率和提高精度，無(wú)需對(duì)周?chē)娐愤M(jìn)行重大改動(dòng)。無(wú)噪聲APD紅外探測(cè)器技術(shù)能為自動(dòng)駕駛汽車(chē)實(shí)現(xiàn)新一代ADAS。
