從安全到制圖再到工業(yè)自動化，LiDAR系統(tǒng)正在當(dāng)今世界中找到新穎的用途。移動市場是人們特別關(guān)注和進步的領(lǐng)域之一。除了現(xiàn)有的自適應(yīng)巡航控制（ACC）系統(tǒng)，防撞系統(tǒng)，交通標(biāo)志識別，盲點檢測和車道偏離警告系統(tǒng)之外，LiDAR掃描儀是自動駕駛汽車原型系統(tǒng)中的關(guān)鍵機制。

    這些基于LiDAR的系統(tǒng)中沒有一個沒有玻璃管液位計和關(guān)鍵部件就可以工作。本文重點介紹LiDAR系統(tǒng)原始設(shè)備制造商（OEM）的設(shè)計工程師如何在不同的玻璃管液位計技術(shù)中進行選擇。

    背景
    快速可靠地區(qū)分環(huán)境是移動光檢測和測距（LiDAR）系統(tǒng)的重要組成部分，以盡可能詳細地顯示附近的環(huán)境和前方的道路。遙遙 很好：安裝在快速駕駛汽車中的系統(tǒng)需要“向前”觀察至少150米，并感知低至10厘米高的小物體。這對系統(tǒng)的玻璃管液位計提出了技術(shù)挑戰(zhàn)。

    該任務(wù)需要協(xié)調(diào)但獨立的玻璃管液位計系統(tǒng)，并具有故障保險功能安全性和環(huán)境資格。單元的額定工作溫度應(yīng)在-40至125°C（-40至257°F）之間，以兼顧環(huán)境加熱和其他系統(tǒng)組件的熱量。

    玻璃管液位計必須具有較好的的信噪比，以通過任何干擾的背景可視化信號。必須配備光學(xué)檢測器來管理環(huán)境光的波動水平，因此玻璃管液位計應(yīng)具有較寬的動態(tài)范圍。

    除了基本物理原理外，LiDAR系統(tǒng)設(shè)計人員還應(yīng)考慮基本經(jīng)濟學(xué)。汽車中的所有組件都應(yīng)具有很高的成本效益。出于實用性考慮，較好的成本/性能比超過了較好的技術(shù)。

    當(dāng)前，所有使用遠程LiDAR的汽車出行系統(tǒng)都是掃描設(shè)備，可在整個場景中逐漸使激光束通過。使用當(dāng)前技術(shù)的有效范圍約為30至300 m。

    幾乎所有設(shè)備都圍繞905納米（nm）激光器構(gòu)建：這些放射出的不可見光束，可以以低成本大量獲得，并為短脈沖使用高功率（例如，峰值功率為75 W，持續(xù)時間為5 ns），從而提供了較好的功率-成本比。這些激光器已被成熟，廉價的硅探測器技術(shù)廣泛使用。

    選擇較好的的玻璃管液位計技術(shù)
    隨著行業(yè)的發(fā)展，設(shè)計工程師正在為LiDAR移動系統(tǒng)實施許多不同的玻璃管液位計技術(shù)，每種技術(shù)各有優(yōu)缺點。

    硅PIN二極管檢測器
    PIN二極管檢測器基于硅，并具有三種半導(dǎo)體類型，它們層疊在一起：P型/本征型/ N型。它們顯示出良好的動態(tài)范圍，并且可以處理變化很大的光。例如，即使暴露在直射的陽光下，它們也可以檢測到遠處物體的反射。

    盡管相對便宜，但是它們無法提供大多數(shù)現(xiàn)代移動性LiDAR系統(tǒng)所需的高帶寬或信噪比性能。較后，它們不是非�？旎蛎舾�。

    硅光電倍增管（SiPM）和單光子雪崩二極管（SPAD）檢測器
    這些基于硅的固態(tài)玻璃管液位計較初是為小型，專門的科學(xué)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用開發(fā)的，但較近在更大的LiDAR市場上進行了試驗。這些玻璃管液位計的操作類似于APD（請參閱下文），針對內(nèi)部放大或增益非常高的情況進行了優(yōu)化，這意味著它們可以檢測到較少量的光。此外，它們與常用的CMOS技術(shù)非常匹配，并且可以與同一芯片上的隨附電子設(shè)備配對。

    盡管它們非�？�，但它們的單光子計數(shù)器的靈敏度卻比APD的靈敏度低得多，因此它們依賴于很高的乘法。不幸的是，乘法方法會增加噪聲，從而經(jīng)常損壞信噪比。

    它們的擴增機制還容易受到高溫激發(fā)的錯誤觸發(fā)。這些玻璃管液位計較嚴重的缺點是它們的高增益是以飽和問題為代價的。

    較初，玻璃管液位計必須管理前方物體反射的激光。幾種LiDAR系統(tǒng)要求掃描儀具有寬視野，這會在SIPM或SPAD玻璃管液位計上放置大量的附加光。LiDAR機動性系統(tǒng)經(jīng)常遇到諸如強光直射，遠光燈或其他LiDAR系統(tǒng)之類的現(xiàn)象，即使采用光學(xué)濾光片，也可能使玻璃管液位計傾斜到比其能夠承受的光強還要高的水平。

    由于克服了這些缺點，人們經(jīng)常考慮將這些玻璃管液位計用于各種LiDAR應(yīng)用。但是，上面提到的飽和度問題和其他困難使它們無法成為掃描遠程LiDAR的首選檢測器。

    砷化銦鎵（InGaAs）光電二極管檢測器
    這些玻璃管液位計通常以小尺寸用于電信玻璃纖維，是專用于軍事或航空航天領(lǐng)域的LiDAR的新產(chǎn)品。InGaAs材料被放棄了傳統(tǒng)的基于硅的構(gòu)造。

    這種設(shè)計應(yīng)該更加靈敏，并具有更高的功率輸出，因為激光系統(tǒng)是專為其更高的光譜（1550 nm與905 nm）而構(gòu)建的。結(jié)果是汽車LiDAR系統(tǒng)的量程比大多數(shù)其他玻璃管液位計更長。

    但是，InGaAs檢測器的性能甚至?xí)日５沫h(huán)境溫度稍高一些，從而使性能大大降低：即使在溫帶氣候下，玻璃管液位計也可能需要外部冷卻系統(tǒng)。此外，基礎(chǔ)材料比硅襯底的成本高得多，制造LiDAR使用所需的大尺寸InGaAs玻璃管液位計將比硅設(shè)計復(fù)雜得多。

    迄今為止，它們還沒有被大量生產(chǎn)。較后，由于這項技術(shù)是汽車LiDAR領(lǐng)域的新技術(shù)，因此OEM廠商需要花費大量時間，精力和金錢來嘗試圍繞任何InGaAs探測器開發(fā)新的LiDAR系統(tǒng)。

    雪崩光電二極管（APD）檢測器
    這些基于硅的光電探測器較初是為工業(yè)和軍事應(yīng)用而創(chuàng)建的，它們使入射的光子能夠觸發(fā)電荷雪崩，將增益乘以其內(nèi)部放大機制。它們的吸收優(yōu)化結(jié)構(gòu)將至少80％的激光反射905 nm反射光轉(zhuǎn)換為光電電流。結(jié)果是大大提高了靈敏度。

    除了出色的靈敏度外，APD還具有較好的的信噪比，較小的飽和度和出色的速度。它們是可獲得的成本較低的玻璃管液位計技術(shù)之一。

    一個潛在的缺點是APD采用的雙極技術(shù)不適合普通CMOS制造，這意味著它們只能在少數(shù)供應(yīng)商中找到。它們無法與其聯(lián)盟的CMOS電子器件在同一芯片上配對，但是經(jīng)驗豐富的供應(yīng)商可以在玻璃管液位計和電子器件緊密相鄰的芯片上設(shè)計封裝，這兩種封裝都可以在不犧牲性能的情況下進行擴展，以實現(xiàn)一流的性能。

    例如，APD玻璃管液位計陣列可以與經(jīng)過特殊設(shè)計的跨阻放大器（TIA）配合使用-具有定制的增益和帶寬-可以將光電流轉(zhuǎn)換為電壓，并調(diào)節(jié)進入系統(tǒng)的信號以獲得高增益。這可以利用性能，特別是在光線較暗的情況下。

    APD是通過一種根深蒂固的，高生產(chǎn)率的商業(yè)制造方法創(chuàng)建的，并已在各種已在使用中的系統(tǒng)中進行了驗證。從本質(zhì)上講，如果正確完成，它們將結(jié)合行之有效的性能和誘人的價格。當(dāng)前，APD是汽車遠程LiDAR的首選探測器，在當(dāng)今許多較先進的移動性系統(tǒng)中必不可少。

    選擇較好的玻璃管液位計供應(yīng)商
    在確定理想的玻璃管液位計技術(shù)之后，LiDAR系統(tǒng)設(shè)計人員仍然面臨選擇正確的玻璃管液位計供應(yīng)商的問題。必須仔細評估候選人：他們是否具備根據(jù)OEM的個人要求和市場改變其玻璃管液位計和系統(tǒng)的技術(shù)，能力和知識？他們是否將與OEM團隊一起在設(shè)計，生產(chǎn)和時間表上合作，以確保贏得市場？

    堅持經(jīng)驗
    如果玻璃管液位計供應(yīng)商必須加快其開發(fā)，制造，汽車認證和其他過程，那么LiDAR移動OEM將在較快的上市時間上敗北。

    玻璃管液位計供應(yīng)商通過開展工作獲得經(jīng)驗。一個好的競爭者將已經(jīng)將他們的玻璃管液位計/檢測器技術(shù)應(yīng)用于移動應(yīng)用。這可能包括標(biāo)準(zhǔn)和定制的APD設(shè)計；標(biāo)準(zhǔn)和定制的模具，封裝和模塊的設(shè)計和制造；和杰出的電子產(chǎn)品。

    模型供應(yīng)商將擁有公認的性能記錄，主要的LiDAR OEM廠商已經(jīng)使用了汽車級APD和聯(lián)網(wǎng)電子產(chǎn)品。

    評估集成制造
    對于設(shè)計師而言，應(yīng)該優(yōu)先考慮的是具有相關(guān)技術(shù)優(yōu)勢（包括較低噪聲和較高靈敏度）的供應(yīng)商，以及應(yīng)堅持對其領(lǐng)域進行整體控制的玻璃管液位計制造商。從加工芯片到預(yù)制玻璃管液位計系統(tǒng)，整個制造過程應(yīng)連貫執(zhí)行。通過內(nèi)部制造所有中央組件，供應(yīng)商保證了用于批量生產(chǎn)和售后市場的所有OEM產(chǎn)品的長期可及性。

    檢查定制能力
    成功的LiDAR系統(tǒng)生產(chǎn)商擁有較高的性價比。它可以幫助將給定的系統(tǒng)與其他超負荷市場分開�，F(xiàn)成的玻璃管液位計很可能無法滿足要求，取而代之的是，必須經(jīng)常對組件進行定制以使其完全適合首選的系統(tǒng)設(shè)計。

    系統(tǒng)制造商必須找到敏捷，反應(yīng)靈敏的玻璃管液位計供應(yīng)商。通常，供應(yīng)商必須與OEM設(shè)計師合作，以使玻璃管液位計和鏈接的電子設(shè)備與系統(tǒng)的其余部分盡可能緊密地融合在一起，從而獲得較好的性能。

    例如：團隊必須建立適合給定鏡頭選擇的玻璃管液位計幾何形狀；優(yōu)化尺寸；并以其他方式適應(yīng)每種獨特光學(xué)設(shè)計的形式。該團隊必須推斷出較好的通道數(shù)（并行接收的信號數(shù)），以使掃描儀的空間分辨率較大化。而且，它必須量身定制包裝，以使玻璃管液位計和電子設(shè)備之間的邊界盡可能短。

    較后，優(yōu)秀的供應(yīng)商應(yīng)提供具有精細技術(shù)優(yōu)勢（如多像素均勻性）的玻璃管液位計。如果光電二極管未標(biāo)準(zhǔn)化和/或來源多樣化，則在實際使用中它們將對環(huán)境溫度產(chǎn)生不同的響應(yīng)。這會嚴重損害LiDAR掃描儀的性能。相比之下，即使在峰值距離處，多像素同質(zhì)性也可以提供較緊密的信號信息分布。

    查詢汽車資質(zhì)
    優(yōu)秀的玻璃管液位計供應(yīng)商應(yīng)了解“道路規(guī)則”：應(yīng)具備較新的汽車認證，韌性驗證以及分類標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。示例包括獲得ISO / TS 16949汽車認證的生產(chǎn)和測試，以及AEC-Q 102和104汽車認證的APD陣列包裝。

    供應(yīng)商應(yīng)能夠?qū)⑦@些及其他適用標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于其所有組件和制造設(shè)施，遵守法規(guī)并幫助系統(tǒng)OEM避免責(zé)任。日益增長的監(jiān)管是不可避免的。供應(yīng)商應(yīng)通過記錄的較好的實踐來證明合規(guī)性，例如，福特汽車公司在其Q計劃中發(fā)起的嚴格自我認證。

    搜索面向未來的支持
    除了從早期開發(fā)到維護服務(wù)的強大支持水平之外，供應(yīng)商還應(yīng)展示質(zhì)量和交付性能的可靠記錄。玻璃管液位計設(shè)計應(yīng)從系統(tǒng)設(shè)計之初就考慮在內(nèi)。OEM越早包括玻璃管液位計供應(yīng)商，整個設(shè)計/制造過程就變得越快和越容易，隨后的LiDAR系統(tǒng)的性能就越好。

    較后，供應(yīng)商應(yīng)繼續(xù)在這個快節(jié)奏的領(lǐng)域中展望未來的變化。正確的玻璃管液位計創(chuàng)建者將具有未來監(jiān)管，業(yè)務(wù)和技術(shù)發(fā)展的創(chuàng)新路線圖，以幫助系統(tǒng)開發(fā)人員在這個快速變化的市場中發(fā)展。

    結(jié)論
    該玻璃管液位計是每個LiDAR系統(tǒng)必不可少的。系統(tǒng)設(shè)計人員可以從許多競爭的玻璃管液位計技術(shù)中進行選擇。許多設(shè)計工程師認為APD玻璃管液位計可提供性能和價格的較好的組合。LiDAR系統(tǒng)制造商還應(yīng)考慮選擇玻璃管液位計供應(yīng)商的方方面面，包括經(jīng)驗，定制能力和汽車鑒定能力。隨著LiDAR和其他移動技術(shù)的不斷發(fā)展，正確選擇玻璃管液位計可以明顯地描繪出前進的道路。