聊聊激光雷达原理之dTOF —— SPAD/SiPM篇

文章目录

聊聊激光雷达原理之dTOF —— SPAD/SiPM篇
- 前言
- 什么是dTOF
- SPAD
- - 工作原理
  - TCSPC(Time-Correlated Single Photon Counting)
  - CD (Coincidence detection)

前言

对于dTOF来说，其实应该先从APD讲起(因为现在大多数dTOF激光雷达都是APD的)，但因为笔者是SPAD的从业者，所以出于私心和方便来说就从SPAD讲起吧（SiPM相当于SPAD的阵列，就放在这里一起说了）。

什么是dTOF

dTOF(Direct Time of Flight)，直译即是直接飞行时间，通过光束发射和接收的时间差来计算光的飞行时间，从而计算距离。
(t回波时间−t发射时间)×c/2(t_{回波时间}-t_{发射时间})\times c/2 (t回波时间−t发射时间)×c/2
原理是不是比起iTOF来简单很多，dTOF的激光雷达随sensor的不同大体分两类，APD和SPAD，二者自身的原理有所不同，本文就主要讲讲SPAD的。

SPAD

工作原理

SPAD（Single photon avalanche diodes）单光子雪崩二极管，当工作电压高于VBD（雪崩击穿电压）的时候，工作在盖革模式下，具体器件原理就不展开讲了，可以简单的理解为当光子来临的时候，触发了SPAD的雪崩效应（avalanche）：由于SPAD内部高反偏电场，光子转换产生的少量电子使SPAD产生雪崩状态，此时光电转换增益理论为无穷大，产生一个可以被TDC捕捉的数字信号，此时就被记为一个光子到来了，雪崩后spad无法自己快速回到初始状态，需要淬灭（quench）电路的帮助：由雪崩后产生大量电流流过淬灭电路，SPAD两端的偏压低于击穿电压，抑制了雪崩电流，使得SPAD电流关闭，随后通过对SPAD通电，回到初始状态。从雪崩到回到初始状态所需的时间，被称为死区时间（dead time），死区时间通常可以通过淬灭电流来调整。

这里补充一点：虽然名为单光子计数，实际上单个光子不一定能触发雪崩，这取决于SPAD的PDE(Photon detection efficiencies)光子探测效率，但即便如此，SPAD对于光子的灵敏度也是很高的，远高于APD，所以SPAD的激光雷达的优势之一就是所需光源的功率会很小（这对人眼安全要求class one的应用来说往往是比较重要的）

TCSPC(Time-Correlated Single Photon Counting)

从SPAD的器件原理可以看出，单个SPAD 单元在同一时刻只能触发一次，所以激光雷达应用中的SPAD往往是阵列形式的，所以同一时刻或者说一个TDC的采样时间里可以有多个光子计数（当然这也和SPAD的死区时间和TDC的采样时间大小有关）。
有了这个前提，TCSPC(时间相关单光子计数技术) 就好理解了，听起来似乎很复杂，但其实和APD类似，只是把时间和强度的关系改为了时间和光子数的关系，下面找了张图来看看这个关系：

其实就是在一个大的采样周期内，将每个小的采样时间内SPAD触发的光子计数都叠加起来，就得到该采样时间的光子计数，于是就有了上述的图。
这个图可以拿来做什么呢？

寻峰：利用各种寻峰方式吧，获得超采样的波形峰值点对应的时间，可以获得飞行时间。
获取相对回波光能量强度：更强的光能量能够触发更多的光子计数，在阈值范围内，可以通过峰值的高度来表征回波能量强度，当然这个强度是相对的，不与实际光能量一一对应。
获得相对环境光强度：可以从峰以外的光子计数均值来得到环境光的强度，当然，这个强度也是相对的。

细心的小伙伴们可以看到，这个波形是一个非对称的高斯波形，这种非对称的现象称为Pile-up：当回波能量越强时，这个波形就越向前（即时间短的方向）移。Pile-up现象会在一定程度下影响SPAD的测距精度，所以在不解决Pile-up问题的情况下，SPAD的测距的误差会与目标的远近/材质相关。

CD (Coincidence detection)

因为SPAD的灵敏度很高，当环境光/噪声很强的情况下，很容易会造成SPAD都被噪声占用使得信号来临时没有足够的未被占用的SPAD被触发，使得信号被噪声淹没。
所以就引入了CD，CD和dead time是SPAD抑制环境光噪声的两个手段（当然最有效的还是加IR Filter），CD的原理也很简单，SPAD阵列，如10*10，被分为了若干个组，如25个，那么，每4个spad分为了一个组，在规定的时间（coincidence time）内有这个组里有规定个数（coincidence depth）个脉冲被触发，那么才会认定这个脉冲是有效的，反之则会被忽略，这里放个paper里的图：

所以可以看出，少量非均匀的环境噪声会被CD排除使得其信号不能被记录。

暂时能想到的就这些，之后再补充吧，有疑问也欢迎在评论区提。