研究成果与重点

光达系统作为先进驾驶辅助系统、自动驾驶车辆、机器人移动和工业自动化的关键技术，其性能很大程度取决于讯噪比(SNR)这个核心参数。本研究针对不同光电探测器（SiPM、SPAD数组和APD传感器）在不同温度环境下的性能进行深入分析和比较。透过讯噪比分析计算、数值模拟及实验验证，探讨如何优化系统设计以提升光达系统的探测效能，特别是在长距离应用场景中的表现。

文中针对短距离（30公尺）和长距离（250公尺）两种典型 ToF 光学雷达系统进行了深入的分析，并特别关注了在+25°C 和 105°C的工作温度下，不同光电探测器的信噪比 (SNR)性能差异。

研究团队 

这篇文章是由onsemi深度感测部门的一个研究团队撰写，主要作者是Andrii Nagai。文章重点比较了SPAD、SiPM和APD三种光电探测器在飞行时间 (ToF) LiDAR应用中的性能，并探讨了影响其性能的关键因素，如微单元数量、暗计数率、死区时间、光学系统设计和环境温度。

研究背景与关键发现

光电探测器选择对LiDAR系统最佳光学孔径的影响

在LiDAR系统中，选择不同的光电探测器，如SPAD、SiPM或APD，会显著影响系统的最佳光学孔径。这是因为不同探测器对光线的敏感度、信噪比以及对环境光线的抗扰性存在差异。

图 2 清楚地展示了这种影响：

• SPAD数组：对于基于SPAD的LiDAR系统，使用小孔径透镜时可以实现最高的信噪比(SNR)。这是因为SPAD具有极高的灵敏度，即使在低光子数的情况下也能有效地探测到回波信号。因此，较小的孔径足以收集到足够的光子以获得高SNR，同时还能有效地抑制环境光线的干扰。
• APD：相反地，基于APD的系统需要使用大孔径透镜(Dlens > 25 mm)才能获得较高的 SNR。这是因为APD的内部增益较小，对光线的敏感度相对较低。因此，需要更大的孔径来收集更多的光子以克服电子噪声的影响。
• SiPM：基于SiPM的系统则呈现出介于SPAD和APD之间的特性。SiPM的灵敏度介于SPAD和 APD之间，因此最佳光学孔径也介于两者之间。

以下进一步解释了不同探测器对最佳光学孔径影响的原因：

• 灵敏度：SPAD具有最高的灵敏度，因此可以使用小孔径透镜，而APD灵敏度较低，需要使用大孔径透镜。
• 环境光线抗扰性：小孔径透镜可以更有效地抑制环境光线的干扰，这对于高灵敏度的SPAD尤其重要。APD虽然灵敏度较低，但具有良好的线性度和较高的光子灵敏度，因此对环境光线的抗扰性较强，可以使用较大的孔径。

低光子环境下SPAD数组与SiPM的信噪比表现

在低光子环境下，SPAD数组相较于SiPM在信噪比(SNR)方面表现更佳。以下将详细说明原因：

• 较低的暗计数率：SPAD数组通常具有比SiPM更低的暗计数率。暗计数是光电探测器在没有光子入射的情况下产生的噪声信号，会降低信噪比。尤其在低光子环境下，暗计数的影响更为显著。因此，SPAD数组较低的DCR更有利于在低光环境下获得更高的SNR。
• 更小的微单元数量：SPAD数组通常具有比SiPM更少的微单元。虽然减少微单元数量会降低动态范围，但在低光子环境下，更少的微单元意味着更低的总体暗计数产生，从而提高 SNR。

图 1 的佐证：图 1 中可以观察到，在相同回波激光功率 (PS) 和背景光功率 (PB) 下，SPAD 数组的 SNR 明显高于 SiPM。这表明在低光子环境下，SPAD 数组确实具有更好的信噪比表现。展示了在 25°C 下，SPAD（包含 2×2 和 7×7 微像素）、SiPM 和 APD 的信噪比 (SNR) 与回波激光功率 (PS) 和背景光功率 (PB) 的关系。

图中红色实线和橙色虚线分别代表 25°C 和 105°C 下 SNR = 10 的情况。可以观察到，由于 SPAD 器件具有较小的有效面积和较低的暗计数率，因此对回波激光功率的灵敏度最高，比 SiPM 高一个数量级，比 APD 高两个数量级。图中白色和黑色线条分别代表短距离和长距离光学雷达系统预期的 PS 和 PB 值，这些值是根据表 1 中的光学雷达系统规格计算得出的。

通过观察图 1，可以发现 SPAD 器件的 SNR 受温度影响最小，而 APD 器件受温度影响最大。这与前文提到的 SPAD 和 APD 的温度稳定性特点相符。

APD在温度变化下SNR衰减幅度最大

• 暗电流的影响：文中指出，SiPM和SPAD的暗计数率(DCR)会随着温度升高而增加，大约每8°C增加一倍。而APD的暗电流(ID)则对温度更为敏感，每升高1°C就会增加1.1倍。
• SNR公式的比较：
  • 对于SPA和SiPM，其SNR公式(Eq. 2)中的电子噪声 (Nelec.)与DCR直接相关。
  • 对于APD，其SNR公式(Eq. 4)中的暗电流(ID)直接影响分母的噪声项。

图 2 的佐证：图 2 中可以观察到，同光电探测器信噪比与透镜孔径的关系，在相同透镜孔径下，APD 的 SNR 在 25°C 和 105°C 之间的差异最为显著，远大于 SPAD 和 SiPM 的差异。这表明 APD 的 SNR 受温度影响最大。由于 APD 的暗电流对温度变化非常敏感，其 SNR 在温度升高时会大幅衰减，衰减幅度大于 SPAD 和 SiPM。

图中实线和虚线分别代表 25°C 和 105°C 下的 SNR 值。可以观察到，对于使用 SPAD 器件的光学雷达系统，当使用小孔径透镜时可以获得最高的 SNR；而对于使用 APD 器件的系统，则需要使用大孔径透镜 (Dlens > 25 mm) 才能获得较高的 SNR。SiPM 系统的 SNR 介于 SPAD 和 APD 之间。此外，图 2 也显示 APD 系统的 SNR 受温度影响最大，这再次验证了APD 温度稳定性较差的结论。

实验方法与验证

验证方式

本文采用信噪比(SNR)作为主要性能指标，并通过以下三种方法进行了验证：

• 解析计算：基于光电探测器的工作原理和系统参数，推导出信噪比的解析表达式。
• 蒙特卡罗模拟：建立光子传输和探测过程的数值模型，模拟不同光电探测器的信号和噪声特性。
• 实验测量：使用onsemi Gen1 光学雷达演示系统，在实验室环境下测量不同光电探测器的信噪比性能。

图 3：SiPM 信噪比的模拟、计算与实测结果比较。

图 3 比较了 SiPM 在不同过电压 (∆V) 和目标反射率 (η) 下的信噪比模拟值、计算值和实测值。图中展示了三种不同方法得到的 SNR 值：解析计算 (Eq. 2)、蒙特卡罗模拟和实验测量。实验测量是在实验室环境下，使用 onsemi Gen1 光学雷达演示系统对两个反射率分别为 12% 和 100% 的目标进行测量得到的。可以观察到，三种方法得到的 SNR 值基本一致，这验证了论文提出的解析计算方法和蒙特卡罗模拟方法的准确性。

研究结果与结论

主要研究结果

• 灵敏度：SPAD器件由于具有较小的有效面积、较低的暗计数率 (DCR) 和快速的恢复时间，对回波激光功率的灵敏度最高，比SiPM高一个数量级，比APD高两个数量级。
• 温度稳定性：SPAD器件由于暗计数率较低，在高温(105°C)下表现出更佳的信噪比稳定性。APD器件受温度影响最大，因为其暗电流(ID)会随着温度升高而显著增加。
• 动态范围：SPAD数组的动态范围有限，因此需要控制落在通道上的背景光功率。APD器件由于具有良好的线性和较高的光子灵敏度，对环境光具有最高的抗干扰能力。
• 光学系统优化：为了充分发挥SiPM或SPAD的优势，应设计光学系统以抑制环境背景光的干扰，例如使用小孔径透镜 (Dlens)和小视场 (FoV)。
• 微单元数量的影响：较少数量的微单元会导致较低的暗计数率，从而提高低光子状态下的信噪比，但也降低了对环境光的抗干扰能力。

器件性能表征

文中详细介绍了SPAD、SiPM和APD的关键参数，包括：

• 光电探测效率(PDE)：SPAD的PDE为30%。PDE是衡量光电探测器将入射光子转换为电子效率的重要指标，它与量子效率(QE)密切相关。
• 量子效率(QE)：SiPM的QE为55%。QE是指光电探测器将入射光子转换为电子的效率，它决定了光电探测器的灵敏度。
• 暗计数率(DCR)：SPAD和SiPM的DCR分别为25 KHz/mm²和150 KHz/mm²。DCR是光电探测器在没有光照的情况下产生的噪声信号的速率，它会影响信噪比。
• Dead Time：SPAD和SiPM的τdead分别为6 ns和14 ns。τdead是指光电探测器在探测到一个光子后，需要多长时间才能恢复到可以探测下一个光子的状态。
• 增益：SPAD和SiPM的增益分别为1E5和10013。增益是指光电探测器将每个入射光子转换为的电子数。

总结

本文通过对SPAD、SiPM和APD三种光电探测器在ToF光学雷达系统中的性能进行深入分析，为光学雷达系统的设计和优化提供了重要的参考价值。

研究结果表明，SPAD器件在灵敏度、温度稳定性和信噪比方面具有优势，但其动态范围有限。SiPM具有中等性能，而APD则在线性和抗环境光干扰方面表现出色。研究人员可以根据具体的应用需求，选择最合适的光电探测器，并通过光学系统的优化设计，最大限度地发挥其性能优势。

推荐使用光焱科技SG-A 可量测以上各种参数。

原始发表信息

此文章发表于2024 International SPAD Sensor Workshop
图片与原文来源:
https://imagesensors.org/Past%20Workshops/2024%20ISSW/Papers/R05.5.pdf