激光雷達(dá)的工作原理是向目標(biāo)發(fā)射探測(cè)信號(hào)（激光束），然后將接收到的從目標(biāo)反射回來(lái)的信號(hào)（目標(biāo)回波）與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比較，作適當(dāng)處理后，就可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息，如目標(biāo)距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù)，從而對(duì)飛機(jī)等目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、跟蹤和識(shí)別。

激光雷達(dá)誕生背景

早期，人類用繪畫記錄各種場(chǎng)景，隨著相機(jī)的發(fā)明，人們開(kāi)始用相片記錄美好事物，早期的相機(jī)是基于膠片沖印，直到柯達(dá)公司在1975年開(kāi)發(fā)出世界上第一款數(shù)字照相機(jī)。 照相機(jī)等可以實(shí)現(xiàn)2D圖像獲取的設(shè)備儀器極大地滿足了人們對(duì)圖像記錄的追求，但是實(shí)際的生活中，人們感興趣的場(chǎng)景也包含三維（Three Dimension, 3D）信息，如距離、高度等信息。

下圖給出了一個(gè)2D/3D成像的示意圖?？梢钥闯?D強(qiáng)度圖并不能給出物體表面的彎曲程度和立體信息。因此可以實(shí)現(xiàn)3D成像的方案也是人們一直研究的方向。在3D成像應(yīng)用中，激光雷達(dá)（LiDAR, Light Detection And Ranging）成為目前最普遍也是最有前景的技術(shù)方案。

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激光雷達(dá)技術(shù)（Light detection and ranging, LiDAR）起源于微波雷達(dá)技術(shù)（Radio detection andranging, RADAR），是一種利用激光作為發(fā)射光源的主動(dòng)探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)。得益于激光的較短波長(zhǎng)和出色的方向性、單色性等特點(diǎn)，激光雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)高精度、高距離分辨率、高角度分辨率的測(cè)量及成像。

激光雷達(dá)芯片技術(shù)發(fā)展

早期的激光雷達(dá)是基于分立元件的。分立元件的最大問(wèn)題在于集成度較低，因此由分立器件構(gòu)建的激光雷達(dá)系統(tǒng)通常具有體積大、可靠性低、價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)。提高激光雷達(dá)的集成度，首先就要從光電轉(zhuǎn)換器件考慮。

隨著集成電路制造工藝的發(fā)展，功能多樣的后端處理電路也可以通過(guò)半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)。這使得將光電器件與后端處理電路集成在單顆芯片上成為可能。根據(jù)工作模式的不同，光電二極管被分為傳統(tǒng)光電二極管和雪崩光電二極管（Avalanche Photodiode, APD）。其中APD 具有較高的增益，因此更適合于LiDAR 應(yīng)用（通常需要相對(duì)較遠(yuǎn)的探測(cè)距離）。APD又可以被分為線性APD和蓋革模式APD兩種。其中蓋格模式 APD 可以實(shí)現(xiàn)單光子水平檢測(cè)，又被稱為單光子雪崩二極管（SinglePhoton Avalanche Diode, SPAD）。

理論上來(lái)說(shuō)線性APD和SPAD都可以實(shí)現(xiàn)全集成雷達(dá)，但是至今沒(méi)有出現(xiàn)可大規(guī)模集成的 APD陣列。這是因?yàn)殛嚵谢疉PD的一致性很難保證。當(dāng)前市場(chǎng)上的商用APD都是基于分立器件，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)單片全集成。

下圖給出了 Hamamatsu 公司的商用化APD系列器件。獨(dú)立的封裝使得其無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成，因此無(wú)法用于全集成激光雷達(dá)。

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相應(yīng)的 SPAD 器件的特性與光電倍增管類似，具有較高的增益，可以達(dá)到單光子探測(cè)水平。其輸出信號(hào)是數(shù)字化的信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的一致性。

光電倍增管作為一種高性能的光電轉(zhuǎn)換器件在早些年被廣泛的應(yīng)用于激光雷達(dá)應(yīng)用中。光電倍增管是一種由玻璃封裝的真空裝置，通常由一個(gè)陰極和若干個(gè)二次發(fā)射極和一個(gè)陽(yáng)級(jí)構(gòu)成。當(dāng)一定光子照射到陰極時(shí)，由于光電效應(yīng)，陰極會(huì)發(fā)射光生電子。這些電子會(huì)被加速發(fā)射向一些被稱為二次發(fā)射極的附加電極并產(chǎn)生新的電子。這種級(jí)聯(lián)效應(yīng)會(huì)使的每個(gè)入射的光子都會(huì)產(chǎn)生10E5到 10E7個(gè)電子。這種放大效應(yīng)取決于二次發(fā)射極的個(gè)數(shù)和加速電壓的大小。光電倍增管具有噪聲小，動(dòng)態(tài)范圍大以及增益高等優(yōu)點(diǎn)。但是過(guò)大的體積和過(guò)高的工作電壓使得其不適應(yīng)于全集成激光雷達(dá)方案。

在學(xué)術(shù)界，早在 2005 年，來(lái)自瑞士洛桑理工大學(xué)的 Cristiano Niclass 等人首次在標(biāo)準(zhǔn)0.8mm CMOS工藝上實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模SPAD像素陣列，其像素規(guī)模達(dá)到了32′32。下圖顯示了該 SPAD 芯片照片和像素照片，圖中（a）為芯片照片（b）為像素照片。從其像素照片可以看出像素中包含了由5個(gè)CMOS 晶體管構(gòu)成的簡(jiǎn)單的處理電路。雖然該芯片的內(nèi)部電路處理電路只能完成淬火等簡(jiǎn)單的功能，仍然需要將信號(hào)輸出到芯片外，并由片外的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)化器完成測(cè)距等更加復(fù)雜的信號(hào)處理，但是該項(xiàng)工作驗(yàn)證了全集成的可行性。

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在 2008 年， Niclass 等人又發(fā)表了首個(gè)基于 SPAD 的全集成 LiDAR 傳感器芯片。該芯片采用的是0.35mm 高壓 CMOS 工藝。下圖為該 LiDAR 傳感器的芯片照片和成像效果。從圖（a）中可以看出該傳感器芯片集成了32路并行，精度為97ps的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Time to Digital Converter, TDC）和速度高達(dá)6.4Gb/s的數(shù)據(jù)接口。圖（b）為視場(chǎng)角 30 度情況下的一個(gè)距傳感器 1m 的模特的 3D 成像效果。由于其極高的空間分辨率和時(shí)間分辨率，模特的五官特征都可以清晰地分辨出來(lái)。

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近些年來(lái)隨著 CMOS 工藝節(jié)點(diǎn)的進(jìn)步，SPAD 激光雷達(dá)傳感器的空間分辨率（像素?cái)?shù)目）不斷提高，支持的模式和功能不斷增加。這是當(dāng)前基于 SPAD的激光雷達(dá)的兩個(gè)主要研究目標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)更高的像素?cái)?shù)目，支持更多功能以及適應(yīng)于更多應(yīng)用場(chǎng)合。

2019 年12月來(lái)自日本佳能的 Kazuhiro Morimoto 和來(lái)自瑞士洛桑理工的科研工作者合作采用 0.18mm CIS 工藝實(shí)現(xiàn)了世界上首款像素?cái)?shù)目達(dá)到 1M 的 SPAD 激光雷達(dá)。這是目前為止，世界上像素?cái)?shù)目最多的 SPAD 激光雷達(dá)。該像素采用了極為簡(jiǎn)單的像素內(nèi)電路。如圖所示，該激光雷達(dá)由兩種像素構(gòu)成，兩種像素內(nèi)部的晶體管數(shù)目分別為 7 個(gè)（pixel A）和 5.75 個(gè)（pixel B）。Pixel B 中的處理電路被相鄰兩個(gè)像素共用。兩種像素的尺寸僅為 9.4um，因此即使像素?cái)?shù)目巨大，整體芯片尺寸僅為 11mm*11mm。

2019 年來(lái)自英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)的 Sam.W.Hutchings 等人發(fā)布了一款基于 3D 堆疊的 SPAD 激光雷達(dá)。該團(tuán)隊(duì)采用 90nm CMOS 工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化了 SPAD 器件，采用先進(jìn) 的 40nm 工藝實(shí)現(xiàn)后端處理電路，集成了更多的元件（每個(gè)像素內(nèi)包含了1個(gè)多事件 TDC 和16個(gè)14 位計(jì)數(shù)器）。SPAD 器件芯片和處理電路芯片通過(guò)混合鍵合的封裝技術(shù)（hybrid bonding）連接在一起。由于具有豐富的處理電路資源，該芯片支持單光子計(jì)數(shù)、高動(dòng)態(tài)范圍計(jì)數(shù)、多事件直方圖統(tǒng)計(jì)以及首個(gè)光子計(jì)時(shí)等多種工作模式，可以應(yīng)用于 2D 成像、直接飛行時(shí)間（Direct Time of Flight, dTOF），間接飛行時(shí)間（Indirect Time of Flight, iTOF）以及熒光壽命檢測(cè)等多種應(yīng)用場(chǎng)合。

通過(guò)上述發(fā)展趨勢(shì)，可以看出基于SPAD的雷達(dá)傳感器的像素?cái)?shù)目也符合摩爾定律。

激光雷達(dá)在無(wú)人駕駛中的應(yīng)用

在自動(dòng)駕駛的核心技術(shù)中，環(huán)境感知模塊是最重要的技術(shù)之一，它可以為自動(dòng)駕駛技術(shù)提供包括人、車輛、障礙物等環(huán)境信息，是自動(dòng)駕駛技術(shù)的“眼睛”，環(huán)境信息的準(zhǔn)確與自動(dòng)駕駛的安全性直接相關(guān)。在自動(dòng)駕駛技術(shù)中，用于環(huán)境感知模塊的方案主要包括：攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等。其中，攝像頭可以提供較為豐富的物體紋理以及顏色等信息，并且相關(guān)技術(shù)成熟，成本較低，是目前應(yīng)用較為廣泛的方式。但是攝像頭存在一定缺陷，由于采用的是圖像分析的方式，其對(duì)于距離的感知能力較弱，成像效果受到光照條件的影響；除此之外，攝像頭還存在著容易被“誤導(dǎo)”、 “欺騙”等問(wèn)題。

毫米波雷達(dá)的原理與激光雷達(dá)相似，其優(yōu)點(diǎn)在于抗干擾能力強(qiáng)，能夠在惡劣的環(huán)境下工作，并且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)距離和速度的測(cè)量。缺點(diǎn)則在于分辨率較低，難以區(qū)分靠近或重疊的目標(biāo)，并且對(duì)于靜止的物體識(shí)別能力有限。

激光雷達(dá)作為主動(dòng)探測(cè)方式，可以實(shí)現(xiàn)全時(shí)段工作，不受環(huán)境光影響，并且激光雷達(dá)測(cè)距精度更高，能夠?yàn)槠囂峁┴S富、準(zhǔn)確、可靠的三維環(huán)境數(shù)據(jù)，結(jié)合調(diào)頻連續(xù)波等測(cè)距原理還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的實(shí)時(shí)測(cè)速。

下表為攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)三條技術(shù)路線的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比。

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激光雷達(dá)掃描方式分類

激光雷達(dá)的光束掃描方式，按照是否包含機(jī)械部件可分為：機(jī)械式掃描、混合固態(tài)式掃描及全固態(tài)式掃描。

目前，商用激光雷達(dá)普遍使用機(jī)械式掃描方式，即利用旋轉(zhuǎn)的機(jī)械部件（如反射鏡、棱鏡等）控制光束掃描方向，實(shí)現(xiàn)較大范圍的視場(chǎng)角，導(dǎo)致機(jī)械式激光雷達(dá)存在體積大、質(zhì)量重、功耗高、可靠性差、成本高等諸多缺陷。

混合固態(tài)式激光雷達(dá)包括微機(jī)電系統(tǒng)（MicroelectromechanicalSystems, MEMS）式及棱鏡式。MEMS 激光雷達(dá)是利用尺寸較小的機(jī)電器件代替較大的機(jī)械掃描器件帶動(dòng)內(nèi)置反射鏡的傾斜角度變化從而實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光束指向角度的改變，實(shí)現(xiàn)激光光束對(duì)場(chǎng)景的掃描。MEMS激光雷達(dá)中仍然有移動(dòng)部件，因此被分類為混合固態(tài)式激光雷達(dá)，常見(jiàn)的 MEMS 式激光雷達(dá)的驅(qū)動(dòng)方式包括靜電、電磁、壓電和電熱驅(qū)動(dòng)等。MEMS式激光雷達(dá)一定程度上克服了傳統(tǒng)機(jī)械式激光雷達(dá)存在的缺點(diǎn)，具有體積小、功耗低、易于集成等優(yōu)勢(shì)，但仍然存在掃描角度和掃描精度比較受限的問(wèn)題。

相較于機(jī)械式激光雷達(dá)與混合固態(tài)式激光雷達(dá)，全固態(tài)式激光雷達(dá)徹底拋棄了機(jī)械部件，解決了體積大、穩(wěn)定性差等問(wèn)題，因此被認(rèn)為是激光雷達(dá)發(fā)展的必然趨勢(shì)。全固態(tài)激光雷達(dá)主要分為閃光（Flash）式和光學(xué)相控陣式，F(xiàn)lash式激光雷達(dá)的原理類似于閃光式相機(jī)，在短時(shí)間內(nèi)向待測(cè)空間內(nèi)發(fā)射大面積的激光信號(hào)，并由靈敏度較高的探測(cè)器接收待測(cè)目標(biāo)反射的回波信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)場(chǎng)景的成像。

如圖（d），F(xiàn)lash式激光雷達(dá)將發(fā)出的激光信號(hào)散布在整個(gè)視場(chǎng)范圍內(nèi)，這意味著其探測(cè)視場(chǎng)越大，等量的功率所需覆蓋的面積越大，激光的平均功率密度越低，探測(cè)距離越短，探測(cè)精度越低。

另一種全固態(tài)激光雷達(dá)。OPA(相控陣)式激光雷達(dá)是典型的“芯片式”激光雷達(dá)，具有體積小、功耗低、可靠性高等諸多優(yōu)勢(shì)。以波導(dǎo)型光學(xué)相控陣為例，其原理是通過(guò)控制不同波導(dǎo)之間的相位差改變衍射光干涉增強(qiáng)的方向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光束的轉(zhuǎn)向和掃描。相較于 Flash 式激光雷達(dá)，激光更集中于部分區(qū)域甚至一個(gè)“點(diǎn)”上，平均功率密度更高，探測(cè)距離更遠(yuǎn)，探測(cè)精度更高。同時(shí)由于其采用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS）技術(shù)制作，便于與激光器等部件進(jìn)行片上集成，是實(shí)現(xiàn)全固態(tài)、低成本、高可靠性激光雷達(dá)的最佳技術(shù)路線。

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下表中為常見(jiàn)激光雷達(dá)光束掃描方式對(duì)比，OPA 相較于其他掃描方式在掃描精度、體積、成本、可靠性等方面都有較大優(yōu)勢(shì)，因此 OPA 成為了激光雷達(dá)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，被譽(yù)為最有發(fā)展前景的激光雷達(dá)技術(shù)。

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基于機(jī)械旋轉(zhuǎn)掃描的激光雷達(dá)存在可靠性等問(wèn)題，即在長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中機(jī)械的精度和可靠性都得不到保證。因此，未來(lái)的車載激光雷達(dá)也會(huì)向非機(jī)械旋轉(zhuǎn)的激光雷達(dá)方案發(fā)展。



審核編輯：劉清