原厂

　　经过多年对InGaAs结构的研究，LiDAR开发人员现在可以做出增益更高的APD。这提高了激光雷达的精度，且不用对基础电路进行巨大改动。

　　光探测和激光测距（LiDAR）设备已成为汽车设计中的关键部件，这些设计实现了从三级控制到完全自动驾驶的高级驾驶辅助系统（ADAS）。

　　激光雷达的工作原理是以扫描模式发射由激光器产生的红外光脉冲，计算激光雷达扫描范围内物体反射的每个光脉冲到达光电探测器的时间，软件利用时间来估算物体的距离，并可根据脉冲强度和形状等其他属性来获取每个被检测物体的更多信息。

　　测定距离、形状和大小

　　利用脉冲测得的在水平面和垂直面上的角度以及到物体的距离，软件可以在扫描范围内建立一个球面坐标空间三维模型。这样就能利用激光雷达绘制出仪器扫描范围内的环境地图。

　　激光雷达估算潜在障碍物的距离及其大小和形状 沃尔沃汽车

　　由于激光雷达在实时探测车辆面临的危险方面具有优势，因此现在已成为高级ADAS的核心组件。激光与雷达配合使用，这不仅能准确估计潜在障碍物的距离，还能估计其形状和大小，整体性能会更为卓越。

　　红外光可穿透雾、霾和灰尘

　　汽车行业中有两种波长的光适合用于ADAS，其中一种是905nm。然而使用905nm的光存在几个问题，其中一点是自然阳光和其他环境光源的干扰，因为905nm在可见光区域附近。

　　905nm光的另一个问题是眼睛安全。由于该波长会被水蒸气和灰尘吸收，因此在较远距离使用时需要较高的激光功率。但由于该波长光接近可见光范围，因此功率增大的同时也带来了对道路使用者和行人眼睛造成伤害的风险。因此905nm现在被认为更适用于车辆侧面和角落的短距离激光雷达应用，在这些地方激光功率可以保持在较低水平。

　　另一种是1550nm的光，它远离可见光谱，因此使用比905nm的激光器更强的激光器符合1级安全标准。再加上其穿透雾、霾和灰尘的能力更强，因此1550nm的激光雷达更适用于需要检测距离车辆100米以上潜在障碍物的前向式激光雷达系统，这也是高速自动驾驶的关键要求。

　　探测远距离物体

　　与905nm相比，使用1550nm波长还具有其他优势，包括减少阳光干扰以及与电信市场使用的光纤组件有更好的兼容性。基于1550nm激光器的激光雷达系统可以受益于成熟的光纤技术以及为电信行业制造的组件和基础设施，这有助于降低成本和提高可靠性。

　　探测器对1550nm的响应度也不同于905nm，探测器更容易检测到高吸收率物体反射的光，如路面上的橡胶轮胎。即使在较高的激光功率水平下，ADAS要及时探测到远距离的此类物体并做出反应仍需要高响应度的探测器阵列。

　　斜面的吸收和反射以及大气条件都会使回射光的检测更加困难，尤其是在环境噪声可能很普遍的情况下，这会对探测器元件的性能提出更高的要求。

　　半导体材料的光子吸收效率比较

　　噪声掩盖了激光雷达中的微小脉冲

　　硅光电二极管通常用于波长为905nm的应用，而InGaAs等化合物半导体在波长更长的1550nm上具有更高的响应度。InGaAs-APD可以有效放大激光雷达应用中的低强度光信号。

　　当光子撞击APD的吸收层时，会产生成对的电子和空穴，电子在释放的能量推动下进入导带。施加在APD上的反向偏置电压会加速导带电子向带正电的阳极移动。当电子进入雪崩层并与雪崩层内的原子碰撞时，它们释放的动能会引发产生更多的电子-空穴对。雪崩效应产生的光电流比最初的光子相互作用产生的光电流更高，提高了读出电路的信号。

　　激光雷达系统通常使用跨阻抗放大器(TIA)将APD产生的电流脉冲转换为电压脉冲。时间数字转换器可以更轻松地处理这些信号，并提供算法所需的信息。APD的增益越高，每个脉冲的输出电平就越强，但背景噪声也会越大。这种噪声是雪崩过程的统计性质造成的，因为每个入射光子引发的碰撞次数可能会有很大差异。设计增益过高的二极管会导致TIA输出产生过多的背景噪声，从而掩盖来自远处低反射率物体的产生的微小脉冲。

　　噪声对APD输出的影响

　　高温条件下性能稳定

　　过量噪声系数在很大程度上取决于空穴与电子的电离系数，理想情况下该比值应低于1.当该比值接近1时，过量噪声系数会将传统InGaAs二极管的有效增益限制在40以下，尽管该噪声系数优于锗器件。硅的电离比明显较低，因此905nm激光雷达中使用的硅APD的增益可以达到几百或更高。

　　英国谢菲尔德大学的研究人员发现，在InGaAs探测器制造工艺中添加锑合金可以抑制传统器件中出现的过大噪声系数。Phlux Technology 公司根据这些研究成果，经过八年的研发优化，推出了一系列APD器件，在噪声成为问题之前，其增益可达120或更高。与传统的InGaAs器件相比，这些器件还具有更快的过载恢复能力，这样就能可靠地检测到紧随大脉冲的较弱的次级脉冲。另一个优点是温漂比不使用锑合金的器件低十倍，而且高温性能更稳定。

　　无噪声技术增加激光雷达的探测距离

　　使用Phlux开发的“无噪音”技术，可将激光雷达的有效范围扩大50%，而范围是ADAS 3级及以上的一个重要因素。更高的响应度增强了系统在高速行驶时探测道路上、附近或远处小物体的能力。它还能检测到反射率低的小物体，而传统的APD传感器可能会漏掉这些物体。此外设计人员还可以利用增益的提高来权衡激光功率与探测距离，从而节省能源。

　　新型“无噪声”InGaAs APD可将激光雷达的射程提高50%

　　更低的激光功率简化了热管理并降低了对光学元件的要求，无噪声InGaAs APD在热稳定性上的提高使其在不同的环境条件下都能进行更精确的测量。

　　由于Phlux通过对InGaAs结构的长期研究，并对材料和制造工艺进行了改进，激光雷达设计人员可以充分利用增益更高的APD来节省功率和提高精度，无需对周围电路进行重大改动。无噪声APD红外探测器技术能为自动驾驶汽车实现新一代ADAS。