據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，日本東芝(TOSHIBA)將深入開(kāi)發(fā)汽車LiDAR(激光雷達(dá))半導(dǎo)體業(yè)務(wù)，主要面向：(1)LiDAR中使用的光接收元件;(2)測(cè)量IC(模擬前端IC);(3)電源IC(圖1)。東芝目前正在研發(fā)這三項(xiàng)技術(shù)，預(yù)計(jì)到2020年完成前期開(kāi)發(fā)并達(dá)到實(shí)際應(yīng)用水平，然后計(jì)劃將其商業(yè)化。其高精度測(cè)量IC技術(shù)和錯(cuò)誤檢測(cè)去除技術(shù)，可使LiDAR傳感器的探測(cè)范圍相比傳統(tǒng)方案提高約1.8倍。

圖1 典型LiDAR結(jié)構(gòu)框圖

東芝對(duì)汽車LiDAR市場(chǎng)寄予厚望。根據(jù)該公司預(yù)測(cè)，未來(lái)L3級(jí)或更高級(jí)別的自動(dòng)駕駛汽車數(shù)量將持續(xù)增長(zhǎng)，這將推動(dòng)LiDAR需求迅速增長(zhǎng)。市場(chǎng)預(yù)計(jì)一輛汽車將安裝多個(gè)LiDAR傳感器，到2025年，每年的市場(chǎng)需求將超過(guò)3000萬(wàn)臺(tái)。在此之后，汽車LiDAR市場(chǎng)仍將保持繼續(xù)增長(zhǎng)，東芝預(yù)測(cè)2025~2035年的復(fù)合年增長(zhǎng)率(CAGR)將達(dá)到18%。

東芝開(kāi)發(fā)的測(cè)量IC專為采用“直接ToF(飛行時(shí)間)”距離測(cè)量方法的LiDAR傳感器而設(shè)計(jì)。 利用直接ToF距離測(cè)量方法，從紅外激光器發(fā)射脈沖光，然后利用光接收元件將從物體反射回的光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并將其輸入到測(cè)量IC，利用激光從發(fā)射到反射光返回的時(shí)間估算距離。 為了獲取二維距離圖像，通常使用多面鏡掃描激光束。在測(cè)量IC中，執(zhí)行距離圖像生成等處理。

車載LiDAR需要更遠(yuǎn)的探測(cè)距離和高像素的距離圖像(多個(gè)距離測(cè)量點(diǎn))。例如，以時(shí)速120公里的速度行駛的車輛，其LiDAR傳感器探測(cè)距離需要達(dá)到200m。

為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè)和高像素，有必要提高測(cè)距精度(準(zhǔn)確率)的同時(shí)，降低錯(cuò)誤檢測(cè)。

為了提高測(cè)距精度，東芝開(kāi)發(fā)了一種被稱為“SAT(Smart AccumulaTIon Technique，智能累積技術(shù))”的方法，即使在各種不同的噪音環(huán)境中也能更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量，該研究成果已于2018年2月在ISSCC上公布。

在上述直接ToF距離測(cè)量方法中，隨著被測(cè)物體的距離增加，入射到光接收元件上的太陽(yáng)光量也隨著反射光返回而增加(圖2)。此時(shí)太陽(yáng)光等背景光線便成為噪音，使SNR(信噪比)下降。因此，需要通過(guò)累積遠(yuǎn)距離圖像的多個(gè)像素來(lái)提高SNR。然而，如果采用簡(jiǎn)單地累積，遠(yuǎn)距離圖像的圖像質(zhì)量會(huì)將低，如同進(jìn)行了模糊處理，使LiDAR系統(tǒng)難以探測(cè)并識(shí)別諸如行人和騎行者等物體(圖3)。

圖2 太陽(yáng)光等強(qiáng)烈的背景光為L(zhǎng)iDAR帶來(lái)的挑戰(zhàn)

圖3 簡(jiǎn)單平均處理的畫(huà)質(zhì)問(wèn)題，降低了行人的識(shí)別率

對(duì)此，SAT對(duì)每個(gè)物體(如汽車和電線桿)進(jìn)行反射光分類，僅累積并平均處理來(lái)自目標(biāo)物體的反射光(圖4)，并在處理中抑制圖像質(zhì)量劣化。與傳統(tǒng)累積技術(shù)相比，東芝SAT分辨率獲得了4倍提高，由此實(shí)現(xiàn)高達(dá)200m的高畫(huà)質(zhì)LiDAR成像。

圖4 SAT智能累積技術(shù)概覽

但是，在進(jìn)行平均處理時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種被稱為“距離聚集(簇)”的現(xiàn)象，在以往的錯(cuò)誤檢測(cè)消除方法(消噪方法)中，有可能導(dǎo)致來(lái)自遠(yuǎn)處物體的正確的探測(cè)結(jié)果被消除(圖5)。根據(jù)傳統(tǒng)方法，例如，使用亮度作為指標(biāo)，根據(jù)遠(yuǎn)距離圖像的每個(gè)像素的大小是否超過(guò)閾值來(lái)判斷/去除噪音(圖6)，有可能造成錯(cuò)誤檢測(cè)。

圖5 平均處理中的距離聚集問(wèn)題

圖6 傳統(tǒng)的噪聲去除方法對(duì)聚集噪音不夠有效

為此，東芝開(kāi)發(fā)了一種算法，通過(guò)使用另一種被稱為“信賴度”的指標(biāo)來(lái)消除錯(cuò)誤檢測(cè)。東芝研究發(fā)現(xiàn)：“簇大小(N)”與亮度(L)平方的乘積與常數(shù)值(a)的相關(guān)性(N= a/ L2)，并基于此設(shè)置“信賴度”，排除錯(cuò)誤檢測(cè)(圖7)。此外，該算法能夠用小規(guī)模且低功耗的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，電路規(guī)模和功耗都可控制在測(cè)量IC的1%以下。

圖7 簇大小和亮度之間的關(guān)系：在LiDAR系統(tǒng)模擬中，簇大小與亮度平方成反比

結(jié)合上述SAT智能累積技術(shù)和新開(kāi)發(fā)的錯(cuò)誤檢測(cè)去除技術(shù)，去除99%的錯(cuò)誤檢測(cè)，LiDAR傳感器的探測(cè)范圍相比傳統(tǒng)方案可以提高約1.8倍(圖8和圖9)。

圖8 基于“信賴度”的噪聲去除效果

圖9 東芝提出的新技術(shù)去除噪聲的結(jié)果(上方)和現(xiàn)有傳統(tǒng)技術(shù)去除噪聲的結(jié)果(下方)

另外，東芝還正在進(jìn)行光接收元件的開(kāi)發(fā)?，F(xiàn)有的LiDAR傳感器通常使用APD(雪崩光電二極管)作為光接收元件。東芝正著手開(kāi)發(fā)比APD更適合于高靈敏度和多信道應(yīng)用的SiPM(基于Si的電子放大器)。盡管SiPM已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備和檢測(cè)設(shè)備中的光子計(jì)數(shù)，但它們和LiDAR傳感器所常用的光波長(zhǎng)不同。因此，東芝正在開(kāi)發(fā)可用于LiDAR傳感器在約900nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有高靈敏度的SiPM。