激光雷达固态化（3）

3.3）基于盖革模式APD（GMAPD）的激光雷达系统（单光子激光雷达）

盖革模式的APD（Geiger Mode APD），也称为单光子雪崩二极管（SPAD，single photon avalanche diode），Princeton Lightwave是单光子激光雷达的最具实力玩家。单光子激光雷达的媒体曝光率要远高于线性模式APD的激光雷达，其单光子检测能力给人的印象是超灵敏因此性能优越。但是实际上并非如此，与LMAPD激光雷达相比，在大部分性能上单光子激光雷达是处于劣势的。时至今日，LMAPD阵列的发展却要落后于SPAD阵列，其中大部分原因是CMOS产业的选择。传统CMOS工艺自20世纪60年代开始发展，直到90年代才真正达到应用要求，期间经历了无源、有源、数字三代工艺迭代。用于制备低灵敏度的CMOS传感器，而比之更早发展的是CCD传感器，早期CMOS一直没法摆脱低灵敏度、高噪声、图像分辨率低等问题，而直到今天CCD传感器的灵敏度都比CMOS要好，虽然CMOS工艺在不断进步，电子消噪等技术不断获得突破，并且越来越接近CCD的水平，目前在消费产品里面CMOS摄像头已经完全取代CCD。CMOS技术继续提升，就往弱光检测方向发展，而其中基于CMOS工艺的APD阵列就是其中一个研发重点。无论是LMAPD还是GMAPD，结构其实都很简单，就一个PN结，施加反向偏压后在耗尽区（depletion）从阴极（cathode）扩散到阳极（anode），光电子雪崩过程依赖耗尽区的电场和电子。目前的CMOS工艺大多数是平面工艺，通用型的CMOS工艺掺杂等流程都受到foundry的限制，因此目前代工生产出来的GMAPD大多数是通用型的PN结加上背后设计好的CMOS电路。值得注意的是，有源区背后的电路无论对于GMAPD还是LMAPD都是一个重点加难点，与CMOS阵列类似，APD阵列在探测器本身完成信号放大等基本功能，而作为测距阵列，还要同时完成数模转换、测距输出等功能，因此对集成电路的噪声控制要求大大提高了。目前基于硅材料的LMAPD阵列（一般感应波长小于1.1um）大部分可以基于标准的CMOS工艺线制造，而1.55um等通信波长则必须要基于专用的InGaAs/InP等III-V族符合半导体工艺，成本远远高于硅工艺。2013年Princeton Lightwave某款用于国防用途的阵列售价就高达15万美金。而LMAPD的CMOS工艺制造从2000年以后就不断有学者研究并且有论文发表，但是效果一直不是很好，其中最大的技术难点是控制噪声和CMOS超低噪声的信号放大器制造，半导体制造过程中掺杂过程的离子注入和退火等工艺都对暗电流的产生影响很大，某些结构下的读出电路ROIC中的CMOS二极管的发光都会成为感光区的噪声。所以APD阵列的开发，技术上是材料和电的问题，而更大的障碍其实是CMOS工艺成熟度和产业自然选择。据我们了解，国内有团队具备GMAPD（SPAD）阵列芯片的设计能力，代工依然是在欧洲。目前GMAPD阵列传感器最大的应用场景是应用于消费电子产品的短距离（4-10m）的三维成像，类似苹果iPhone的结构光模块，微软的Kinnect模块，Intel的Realsense模块等。那GMAPD用于远距离Flash Lidar的前景如何呢？

首先我们要清楚单光子成像的基本技术特征。下图来源于老牌测绘激光雷达企业RIEGL发表的论文，图片展示了GMAPD的工作简图，采用的是脉冲测距法（近距离SPAD阵列大多采用连续波测距，但是目前连续波的单光子激光雷达测量距离能达到多远依然存疑），该论文对比了LMAPD和GMAPD在航空测绘中的性能差异。被红线删除或者打了红×的就是GMAPD和LMAPD的差别。由图中我们可以获得以下几个基本认知：

·        GMAPD不像LMAPD，它只检测光子“有”和“无”（binary），而LMAPD可以输出连续的信号波形、强度等等信息；

·        GMAPD有无源、有源、门控三种工作模式，图中表示的就是工作在门控模式下的GMAPD。GMAPD工作在高灵敏度的雪崩电压区域，热噪声、半导体的隧道效应等都会产生误计数，因此在对探测目标距离有先验认知的情况下，可以采用门控的方式，在某个脉冲周期内打开探测器等待脉冲信号返回，其他时间APD工作在线性模式下。这是目前单光子成像中常用的降低噪声影响和降低暗记数的方法。这种方法在航空测绘里面应用毫无问题，搭载激光雷达的飞机离地面这段距离中间，先验知识告诉我们这段距离是没有信息量可以忽略的，因此只需要在地面起伏的区间打开探测器。但是汽车这类应用场景却不一样。这个差异有点类似我们前文介绍基于CCD和CMOS面阵的Flash方案提及的景深问题。GMAPD技术路线里面这个问题并非无解，采用连续门再做距离拼接同时结合动态门控算法可以解决问题，适当增加系统复杂度。根据不同探测器动态范围的性能，可能还需要动态调节光源功率。

·        对模拟信号的处理上，单光子激光雷达比LMAPD要简单很多，由于阵列输出的就是0,1数据序列，只要对数字信号进行处理计算飞行时间。但是由于GMAPD每次测量只有一个0-1信息，要重现脉冲需要一组0-1脉冲序列，通常要保证探测概率同时降低虚警率（false alarm）,单光子方案中通常需要50-100次测量。

·        单光子方案没法探测光强，因此没法获得目标的反射率信息。

·        单光子方案的距离数据输出基于一系列的0-1数据，相比LMAPD脉冲的甄别系统直接输出时间点，GMAPD方案的数据量要大很多，考虑像素点之间的串扰之类的因素，算法复杂度也要高很多，甚至要在物理上用多像素点组成一个大像素单元的方法来提高探测概率。而部分采用连续波测距的单光子方案，希望用编码的方式（例如伪随机码编码）过滤噪声，提高测量距离，这些信号处理的复杂度会更高，对提升测量距离的效果也还需要实践验证。

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毫无疑问，单光子激光雷达相比其他方案，其最大优势是灵敏度非常高，能够在散粒噪声极限环境下实现固有的低噪声性能。但是单光子不是万能膏药，获得某些灵敏度极限性能的前提是牺牲可控性并且摒弃某些信息。除了以上图片展示的技术特征，单光子激光雷达还要面对很多问题，例如：通道串扰、死时间（dead time）很长（~1us）需要淬灭电路抑制、探测器填充因子、暗记数、单像素尺寸等等，随着半导体技术和工艺的发展相信会在可见的未来获得系统级的优化。代表企业PrincetonLightwave的产品进展也是令人鼓舞的。PrincetonLightwave的技术渊源是MIT林肯实验室，该实验室从1998年开始设计4*4的GMAPD阵列（Gen-I），2001年研制成功32*32的GMAPD阵列（Gen-II），2003年迭代出同样是32*32像素的Gen-III，主要做了光学系统的改进，抑制了背景光，降低了虚警率。到了2015年该实验室已经实现了256*256像素单元的InP/InGaAs GMAPD阵列。MIT林肯实验室的研究成果被授权给了Princeton Lightwave，成就了这家公司的技术基础。在弱背景光场景下，单光子面阵成像确实在灵敏度方面有优异的性能，甚至可以通过漫反射看到障碍物后面的东西，这种极端应用例如2012年发布在nature communication上的文章“Recovering three-dimensional shape around a corner using ultrafasttime-of-flight imaging”（Vol.3, 745(2012)）,通过发送飞秒（10^-15秒）脉冲同时测量采用皮秒（10^-12秒）门控实现了障碍物透视成像。

综上所述，基于面阵探测器的激光雷达在三维成像方面的诸多性能具有相当优越性，属于各固态方案里面最为直接、技术沉淀也最为深厚的解决方案。基于面阵CCD/CMOS的技术方案自身存在诸多难以克服的问题，获得一个优化的系统依然困难重重。基于硅材料的面阵APD方案商业化前景良好，但是由于硅材料探测器的作用范围为可见光到1.1um波长以内的近红外，这个范围环境光比较强而且人眼安全阈值低，因此在人眼安全的激光功率下作用距离会受限制，目前潜在应用以消费领域短距离场景为主。而基于InGaAs/InP等材料的面阵APD未来需要解决高成本、低成像分辨率等问题，慢慢从测绘领域等成熟领域的技术状态迁移到无人驾驶、机器人等应用场景。而在大规模面阵芯片制造领域，国内与国外先进水平还有非常大的差距，这种差距体现在从设计到制造工艺再到信号处理算法层的方方面面，因此目前国内的技术发展以基于传统CCD/CMOS面阵为主。

4）其他技术方案盘点

除了以上提及的MEMS、OPA、Flash这些技术路线，经常在媒体曝光的还有很多技术概念，这些技术概念里面，大部分都是激光雷达系统里面不同部分的创新或者系统的优化，与上述成像方式是共存的，例如调频连续波（FMCW）并不是与OPA、MEMS、Flash这些概念在同一范畴的，而是测距方式，可以与OPA、MEMS、Flash其中任何一种集成。针对目前一些热门技术，我们简单浏览一下。

4.1）调频连续波（FMCW）

前面提及的公司里面，Strobe、Blackmore测距方式都是用的FMCW，并且都是与OPA成像相结合。调频连续波与其他测距方式相比，典型的技术特征包括：

·        可以同时测距与测速（多普勒效应）；

·        相干测量，抗环境光干扰能力强，抗其他激光雷达干扰能力较强；

·        缺点：对于调频（chirp）线性度要求很高，调频线性度直接影响测距精度；目前集成的调频方式还不是很成熟（例如Strobe的基于WGM模式的调频激光），其他的调频方式（例如光纤、MEMS）存在成本、体积等问题需要解决。

·        走OPA方向的公司倾向于选择FMCW测距，原因有二：调频连续波的扫频可以作为其中一维的扫描方式，弥补硅OPA只能做一维扫描，二维扫描技术难度过大等缺陷；FMCW结合其他频域或者与本地信号相干的信号处理方法，相比时域的脉冲法直接测距，有可能在较低功率激光发射端的情况下获得较远的测量距离，而硅OPA方案的最大功率和效率都恰恰是个大问题。

4.2）1550nm波长激光雷达

选择在1550nm波段搭建激光雷达的公司包括ASC、Strobe、Blackmore、Luminar等，Quanergy的OPA方案及其他走OPA技术路线的团队估计也是基于1550nm波段，因为硅波导的吸收系数在可见光到近红外范围吸收系数都比较大，而硅作为波导材料在相对远离可见光的1550nm区域应用已经非常成熟，流片体系和平台也非常成熟。同时1550nm对人眼的损伤阈值要远远高于905nm、850nm这些短波波段，因此安全范围内1550nm激光测距功率可以提高几十倍。下图展现了不同波长的电磁波作用在人的眼睛可进入范围的情况，我们可以看到400nm-1400nm的可见光-近红外区域的光都可以直接进入人的眼睛到达视网膜，而1400nm以上包括1550nm的近红外、中红外、远红外光则在眼睛表面被吸收。这不代表这些长波光子打在人的眼睛上会没事，功率足够大一样会灼伤眼睛，只不过阈值比较高而且伤害部位不一样而已，例如1400nm波长以上的红外光主要是伤害眼角膜，400-700nm可见光主要伤害视网膜、脉络膜，而700nm-1400nm的红外光伤害的主要是视网膜、脉络膜和晶状体。关于激光安全的话题可以参考标准BS EN60825-1:2007，里面有详细的不同等级的激光安全功率计算标准，在此不做展开了。另外一点值得注意的，1550nm其实对抗雨雾效果其实比905nm等波段要差，不过在大功率弥补之下，实际应用中这个问题并不是特别重要。

4.3）扫描式发射端+面阵接收端

走这一技术路线的典型企业是丰田旗下一个实验室Toyota CentralR&D Labs，其公开发表的系统方案包括MEMS扫描、机械镜子扫描，接收端则采用盖革模式APD阵列（SPAD）。在如下图的demo里面，他们采用了870nm波长、200kHz重复频率、4ns脉宽（FWHM）的激光器，激光功率40mW（单点功率已经远远超出人眼安全范围，。接收端则采用64*6基于CMOS工艺制造的硅SPAD阵列。系统实现了100m的测量距离，170度（H）*4.5度（V）的视场角扫描。这个系统其实是Velodyne64线雷达的共轴版本（发射和接收共轴或者接近共轴），这样减少了旋转零部件（只有镜子在转，而Velodyne 64线雷达HDL-64整体旋转）。

图片来源：Toyota Central R&D Labs IEEE J. of Solid-statecircuits 48, 559 (2013)，左边为实物图，右边为系统结构示意图

丰田旗下的这个实验室还有其他的类似系统，包括MEMS扫描+256*64像素的SPAD阵列实现20m测量距离的激光雷达系统（Opt. Express20,11863(2012)）等。值得注意的是，丰田的系统里面采用的大多数是硅基APD，因此工作波段一般是800-1100nm的近红外区域，硅SPAD的CMOS设计和制造相对要成熟，成本也较低。缺点是在泛光照射下因为太阳光在这个波段的光强还比较强，系统的信噪比不好控制，因此丰田采用了点激光扫描的成像方式。而泛光照射+面阵的技术方案大多数采用了1550nm，光学滤波和加大激光功率都可以提高系统信噪比。

4.4）工作在线性模式下的单光子APD阵列

如前文所述，LMAPD和GMAPD各有优缺点，LMAPD增益不够（灵敏度不够），但是没有雪崩死时间（dead time）而且可以测量回波强度，而GMAPD雪崩增益很高（灵敏度太高），但是死时间太长导致单次测量后要等待很长时间才能开始下一次测量。于是问题来了，APD工作在线性模式下能否进行达到单光子技术的灵敏度？于是很多研究组对线性模式的单光子雪崩二极管（linear-mode SPAD）进行了持续十多年的研究，大部分的研究都集中在超低噪声的信号放大器等核心IC模块上。目前美国雷神等公司的这类产品在军事上（导弹防御系统等）已经达到了实用阶段了，真正进入民用领域还需时日。

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总结

在某些时候，在我们还在讨论哪种激光雷达最好的时候，别人却在讨论还要不要用激光雷达。媒体也许会喜欢讨论无人驾驶到底需不需要激光雷达这种热门话题，对于身处其中的创业者却没得选择：我们花了几年甚至十几年来认识激光雷达，实践激光雷达，哪怕不奢望能当一辈子的事业来做，至少也希望激光雷达未来市场广阔。激光雷达在2016年后确实迎来了一波资本热潮，经常有人会问：这种热潮下是否有泡沫？或者资本是否已经被某个技术带进了坑里去了？作为从业者之一，我们不认同制造泡沫，但是资本投入到激光雷达领域的钱，至少能砸出水花来，激光雷达是一个存在了几十年的传感器而不是一个为无人驾驶而生的技术，国产激光雷达这几年确实获得了长足的进步，资本热潮退去后至少比某些互联网项目的一地鸡毛要好得多。

我们对行业内其他技术和团队的关注，有时候是出于技术出身的本能，希望能尽量减少一点点自己的无知。但是我们认为，目前所有激光雷达行业的创业者、老企业，成败都不在竞品，而在于自己，大家吹过的牛都一一兑现了，激光雷达这个传感器在各行各业的应用一定会全面开花，何须理会Tesla的自动驾驶方案是否采用激光雷达。固态方案里面，OPA也好，MEMS也罢，CMOS也好，APD也罢，最终大概率都会找到他们的商业价值所在，特别是其中某些不冲突的技术因素，例如OPA和Flash。考虑任何一种技术的优劣，我们都不能脱离应用场景。激光雷达在过去几十年的发展，都是针对航空航天、测绘等领域，其典型特征包括测量距离通常比较远（千米以上）、对成本不敏感、待采集数据的目标相对单纯、实时度要求不高。而我们今天讨论的车用和机器人用的导航型激光雷达，这些方面的要求变得完全不一样：测量距离不远（两三百米足够）、成本敏感、环境和目标情况复杂（包括道路、行人、车辆等等细节）、响应速度要快。因此，在原来的激光雷达应用场景应用中优势非常明显的技术方案，放到导航场景来应用不一定好用，否则也不会有资本大量进入硅OPA这些新兴的技术领域。企业研发不同于基础研究，基础研究可以天马行空，企业研发却是带着镣铐跳舞。技术脱离了产业链条件、市场因素就是空中楼阁，不会给企业带来利润。