如何将激光雷达用于工业测距

作者：ON Semiconductor

LiDAR代表“光探测和测距”，是一种用于测量物体距传感设备的距离的技术。使用的原理与雷达（RADAR）非常相似，但使用LiDAR时，无线电波被光（通常是激光）代替。LiDAR系统发出的光束射到目标上，然后被反射回靠近光源的传感器。通过测量光传播所需的时间并知道光的恒定速度，可以高精度地计算目标的距离。这称为飞行时间（ToF）。

LiDAR在汽车行业很有成效，尤其是在先进驾驶辅助系统（ADAS）中，可用于障碍物检测和避免碰撞以及自适应巡航控制（ACC）和导航。但是，LiDAR技术的一个新的令人兴奋的领域是 物联网（IoT）中的工业测距。

在此博客中，我们领先的LiDAR专家，智能感知部SensL分部应用工程师Edel Cashman，分享了她在测距和硅光电倍增管（SiPM）技术的专知，并介绍了我们新的硅光电倍增管（SiPM）直接飞行时间（dToF） LiDAR平台。

什么是测距仪？它为何是物联网的一部分？

测距仪是深度测量系统，可用于涉及深度感知、物体探测和躲避以及位置映射的广泛应用。

LiDAR技术为测距带来什么好处？

LiDAR具有高度可配置性，可以在各种环境和照明场景中使用，并且可以精确探测任何类型的固体物体。

直接飞行时间（dToF）的原理是什么？

所有LiDAR系统都使用光和“飞行时间”概念来测量距离。间接技术使用连续光和调制光与反射光之间的相位差或频率差。在dToF系统中，脉冲激光提供了从表面反射并由传感器探测到的光子。通过发出光子脉冲的激光与探测到光子脉冲的接收器之间的时间差可算出距离。通常使用时间到模拟或时间到数字转换器来实现。通过使用FPGA实现时间到数字的转换，您可以准确地记录发射开始的时间，并测量从目标物体反射后收到第一个探测到的返回光子的时间。对于远距离探测，高度敏感的光电检测器必不可少。

为什么直接飞行时间（dToF）比间接飞行时间（iToF更适合IoT应用？

iToF和dToF在测距方面均具有优势。 dToF在照明、探测和处理方面易于实现，并且计算时间很短。 dToF系统能够区分视野（FoV）内的多个对象，并且不会因相位周期而受距离模糊的影响。

与其他技术相比，SiPM有什么优势？

SiPM是高灵敏度光电探测器，具有低噪声和快速响应时间。 SiPM通过一次测量即可提供高度准确的ToF和强度信息。安森美半导体的SiPM高度一致且成本低，非常适合大批量生产。基于SiPM的系统设计简单、可靠且可扩展。高近红外（NIR）灵敏度意味着安森美半导体的SiPM可以设计成具有低成本批量生产激光二极管的系统，波长范围850 nm至940 nm。

开发测距应用有哪些挑战？

开发测距应用有许多挑战。对于低功率应用，光子预算可能有限。对于远距离系统，可以通过对相同的平均能量使用较短的激光脉冲宽度来优化激光源-SiPM可以轻松探测到较短的脉冲宽度。多点测距将需要扩增探测器的数量或在单点探测器上添加扫描（光束控制）机制– SiPM高带宽和快速响应时间可在扫描场景中实现高帧速率。

最小距离探测在测距仪设计中也可能是个挑战。其他挑战包括光学成本，以及在宽温度范围内的激光一致性。

什么是工业测距？

SiPM dToF LiDAR平台是单点测距开发套件，经成本优化用于在工业和消费者应用中大量部署。它提供一种简单的方法在IoT应用中实施直接深度感测和距离测量。该套件基于最新的RB系列硅光电倍增管（SiPM）探测器，这是一款近红外（NIR）单光子敏感的高性能固态传感器。

由安森美半导体开发并在我们的平台中使用的RB系列SiPM传感器采用紧凑、强固且对磁性不敏感的封装，具有高（1x106）增益和高光子探测效率（在905 nm时为10％）。它以约30 V的极低偏置电压实现高增益，且噪声水平几乎完全在单光子范围内。安森美半导体实现了微区之间的高度一致性，说明该传感器能够将检测到的光子的精确数量区分为输出节点处不同的离散水平。

RB系列SiPM

该参考套件的目标距离在11厘米至23米之间。它含针对650至1050 nm信号优化的平凸透镜，及一个905 +/- 5nm带通滤光片和905 nm激光二极管发射器。

该参考套件使用基于PC的图形用户接口（GUI，已提供），开箱即用。它还含行业标准的PMOD连接器，用于创建完整的方案，还可提供所需的电源。设计人员也可选择由USB连接器为参考套件供电。用GUI能修改许多设置，从而使该平台可用于广泛的工业和IoT应用。