无人驾驶■SPAD会成为未来激光雷达的光电探测标配吗？
据麦姆斯咨询介绍 ， 曾经出现在科幻电影中的无人驾驶汽车 ， 目前已经在某些道路上测试 。 当这项科技的安全性发展到足以被大众接受 ， 那就成为一种改变人类生活方式的颠覆性创新技术 。
开车 ， 尤其是在城市里开车 ， 是一项复杂的任务 ， 需要对周围环境不断收集感知信息 。 当驾驶员暂时失去意识或缺少相关信息输入时 ， 可能会出现致命事故 。
人类驾驶基本靠“本能”：不计算距离或速度 ， 却能给出判断并执行 。 自动驾驶汽车和机器 ， 是没有“本能”的 ， 所有驾驶“决策”都是基于对感知信息（如距离、速度、颜色或形状）的实时计算 。
这些信息输入必须通过车载传感系统获得 。 汽车获得周围环境的高分辨率三维空间视图 ， 激光雷达（LiDAR）是可以提供此类最关键信息的系统 。
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图1：激光雷达工作原理示意图
光：汽车与周围环境的感知“桥梁”
激光雷达通过光去探测周围环境 。 一种称为扫描式飞行时间（ToF）激光雷达则是使用脉冲式激光（见图1） 。 激光发射的瞬间 ， 电子时钟被激活 。 光束操纵单元将脉冲引导到所需方向 。 脉冲从目标反射回来 ， 一部分被光电探测器所接收 。
在响应中 ， 与前端电子器件连接的光电探测器产生电信号 ， 从而使时钟无效 。 通过测量飞行时间Δt ， 计算出与反射物体之间的距离d ， 计算式为d=12cΔt ， 其中c指光在介质中的速度 。
脉冲持续时间及其峰值功率是两项关键参数 。 脉冲持续时间决定距离分辨率 ， 峰值功率决定最远测量距离 。 简言之 ， ToF激光雷达要求持续时间短和峰值功率高 。 当前设计的持续时间约为5ns ， 峰值功率约为100W 。 探测此类脉冲要求探测器带宽与脉冲持续时间的倒数相当 ， 即大约200MHz 。
激光器发出的激光只有小部分能到达光电探测器 。 理想情况下 ， 回到光电探测器的实际光子数取决于与目标的距离、目标的反射率和大气条件 。 此外 ， 弱光信号会受无信息背景（阳光照射、路灯或汽车前灯）干扰 。
在基本的模拟探测系统中（见图2） ， 窄带光学带通滤光片会遮挡部分背景光 。 光电探测器 ， 如雪崩光电二极管（APD）或硅光电倍增管（SiPM）能够响应入射光并输出电流脉冲 。
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图2：当跨阻放大器的输出电压上升到特定电平时 ， 触发电路将发出停止计时器的脉冲 。
跨阻放大器将电流脉冲转换为电压脉冲 。 如果电压瞬时值超过某个特定水平 ， 触发电路将停止计时器 ， 并给出飞行时间 。 这看似很简单 ， 那么为什么说ToF激光雷达对光的探测具有挑战性？
噪声带来的困扰
最简短的答案就是噪声 。 弱光信号的固有噪声（光子散粒噪声） ， 还需要与多种来源的噪声竞争 ， 如未经滤波的背景噪声、光电探测器和放大器的暗电流和增益偏差 。 测量距离不确定度可以用下面的公式表达：
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对于给定的探测带宽B（由脉冲持续时间设置） ， 随着探测光信号的信噪比（S / N）的增加 ， 信号噪声得到改善 。
信噪比必须大于1才能探测到有用信息 ， 并且值越大 ， 距离测量越精确 。 我们面临的挑战是令信噪比最大化 。 对于给定的输入光 ， 这样做有利于让光电探测器的光谱感光灵敏度高、本征增益高且噪声特性恶化（过剩噪声系数）小 ， 暗电流小 ， 结电容小 。
其它理想特性还包括最小的时间抖动和高动态范围 。 但是 ， 满足上述所有要求的光电探测器是不存在的 ， 在实际工程设计时会采取折衷方式处理 。
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