激光雷达领域革命，索尼推出SPAD

周彦武

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想必大家对Velodyne 64线激光雷达HDL-64E都很熟悉了，很长一段时间内，它都是自动驾驶原型车的标配。实际激光雷达也可以算是一个摄像头，只不过它输出的点云聚类最终可以转换为带有深度信息的图像，这个图像是由稀疏线扫描而来的，就像老式的模拟电视经常说到480线或720线，就是电子枪的扫描线。激光雷达就是一个稀疏深度图像传感器，当然它也能输出强度信息，不过大部分使用者都没用过激光雷达的强度值。64线可等同于一个64行的图像，这个图像每秒多少列取决于激光雷达的转动速度，也就是说角分辨率与转动速度成反比。通常机械旋转激光雷达的转速是5-10Hz，转速高，角分辨率自然就低，但帧率高。转速低，角分辨率自然就高，但帧率低。

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索尼在2021年9月6日，推出车规级激光雷达用SPAD传感器，这将彻底改变激光雷达产业。

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上图为激光雷达产业格局，激光雷达实际是个系统集成商，激光雷达主要由激光发射、接收、光束旋转或扫描仪和后端数据处理电路构成。激光发射和接收都不是激光雷达厂家能做的，或者说擅长的，特别是发射，激光发射产业规模远比激光雷达产业要大，历史也更悠久。后端处理电路中的ADC、TIA、FDA、TDC主要元件也是德州仪器、ADI大厂的天下，激光雷达厂家最多也就是做个激光二极管驱动芯片的设计，通常是GaN的。激光雷达的核心是光束旋转或扫描仪。

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激光反射信号的接收，也就是光电变换二极管，一般缩写为PD，通常有4种。

第一种PIN，这是最老式的，现在几乎看不到了，这个接收和传统的CMOS数码相机完全相同，激光雷达和数码相机实际是一回事。

第二种是APD，是目前的主流。

第三种是SiPM或MPPC，高级激光雷达使用。

最后一种是SPAD，即单光子阵列探测仪。性能最好，价格最高，车规级的只有索尼的IMX459和安森美的Padion SPAD，IMX459将于2022年3月量产，样品价格为15000日元，大概是880元人民币。正式产品价格估计是200-400元人民币。安森美目前主推SiPM，国内广汽和上汽前装量产车都选择速腾聚创的激光雷达，有一个关键原因就是接收部分采用了SiPM。安森美的技术来源是2018年初收购的SenSL，SenSL主要技术集中在SiPM。SPAD的制造工艺难度极高，拥有CCD制造经验的日本厂家最擅长，松下、佳能、索尼、富士胶卷都能做，松下、佳能和索尼的试验产品已经可以到百万像素，意味着可以轻松做上千线的激光雷达。

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四种光电接收元件对比，SiPM与SPAD一样都具备高增益，是目前主流的APD的1万倍效率，高增益意味着高信噪比，信噪比是任何传感器最重要的指标，没有之一，提高信噪比的常用方法一是从发射端入手，如Luminar采用光纤激光，使用掺铒放大器（EDFA），发射功率是传统激光二极管的100倍，再有就是从接收端入手，提高接收端效率，就是用SPAD。不过SiPM通常只是一个线阵列，像安森美主推的是1*16的阵列。而SPAD的像素要高得多。

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IMX459指标如上表，最大探测距离300米，在300米处的距离精度仍有15厘米，这主要得益于SPAD的高效率。实际SPAD有效距离可以轻松做到几公里乃至几十公里。美国军用直升机制造商西科斯基飞行器公司下一代武装攻击直升机就采用SPAD，可以全天候工作，有效距离5-10公里。顺便说一下，高精度导弹也是SPAD激光雷达的主要用途，特别是反坦克导弹，侦察机也是SPAD激光雷达的大客户，美国和瑞典（虽是永久中立国，但也曾开发攻击性核武器）都在投入数十亿美元开发武器用SPAD激光雷达，有效距离最远可达200公里，理论值可以上千公里。2020年,中国科学技术大学利用超导纳米线单光子探测器实现了对45 公里远距离的3D成像实验。

IMX459有10万像素，而安森美的样品目前只有4万，ASM的只有1万。目前国产长城汽车即将使用的IBEO的真固态激光雷达，其SPAD就是ASM的，像素为10240，换索尼IMX459，性能直接提升10倍。

SPAD另一个好处是让点云处理失业下岗，它可以直接输出图像，无需任何后端处理，它就是个3D相机。SPAD有两种输出，一是光子计数器，二是飞行时间。SPAD因为具备高灵敏度，可以检测到单个光子，因此可以做成光子计数器，光子计数器可以直接转换为强度图像，原理类似普通的数码相机，传统数码相机上的PIN二极管检测到自然光反射后的光线，光电变换将光强变为电流信号，TIA放大器将电流信号转换为电压信号，电压信号再经ADC处理，最终生成图像。

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典型SPAD D-ToF系统，这里只看飞行时间，SPAD阵列的每个Cell利用启动截至时间可以轻易得到飞行时间。再加上TDC电路就可以输出深度图像了。

TDC的原理这里不赘述，简单地说就是将离散的时间数据转换为直方图，再转换为数字图像。因为要检测每个像素的开关，因此最佳的做法将TDC电路与像素集成在芯片上。目前多用两段式TDC法，单段TDC占的面积过大，会导致成本大增。

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一种典型的集成TDC的SPAD阵列，传统激光雷达需要单独加一片TDC芯片来处理，集成了TDC的SPAD自然不需要，直接可以输出深度图像。当然集成TDC的工艺不太好掌握，成本也略高，因此有些SPAD厂家依然选择外置TDC，不过这样精度有所降低，功耗自然也有增加。

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索尼在CMOS图像传感器领域是绝对霸主，做SPAD自然也是得心应手，看索尼的宣传，似乎是集成了TDC。尽管如此，每个CELL仍然只有10微米大小（目前国内科研实验室产品有200微米大小），能与索尼一争高下的只有松下和佳能了。

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索尼IMX459激光雷达的图像，上为深度图像，下为强度图像。

SPAD最适合Flash激光雷达，当然其他类型激光雷达也可以用。传统激光雷达需要大量的发射和接收激光二极管，这导致体积与成本均居高不下，索尼SPAD传感器的问世将大大缩小激光雷达的体积，提高激光雷达的性能，降低激光雷达的成本。