探针台测试激光雷达LISARG与SPAD单光子雪崩发光二极管
激光雷达，Light Detection And Range, LiDAR
发射激光光束，并接收回波以获取目标三维和/或速度信息的系统；
先知道什么是电磁波波段
根据电磁波的频率可以分为：无线电波，微波，红外线，可见光，紫外线，X 射线和伽马射线；
可见光和红外线比无线电波和微波有着更短的波长，但是比 X 射线和伽马射线波长长；
光速 = 波长 x 频率；
比如一个 10 GHz 的微波雷达，可以计算出它的波长是 3 cm，称之为 X 波段雷达；
一个 1 GHz 雷达，那么它的波长为 30 cm，称之为 L 波段雷达；
常见的车载激光雷达波段在 905 nm 或者 1550 nm，目前主流的还是 905 nm，1550 nm 成本上要贵很多，但是对于人眼更安全，测距能力也更远，刚上市的蔚来 ET7 所搭载的，就是图达通的 1550 nm 激光雷达；
以下这张对比图可以看出，对于雨雪天气，905 nm 波长要好于 1550 nm 波长的；
激光雷达成像系统
一个典型的 LiDAR 成像系统，如下图所示，激光发射器发射激光，打到物体目标，反射回来，探测器接收到回波信号，从而计算出距离和速度等信息；
激光发射器：边发射激光器（EEL），腔发射激光器（VSCEL）等，主流供应商一般是 欧司朗 OSARM，滨松 HAMAMATSU；
探测器：硅雪崩光电二极管（Si APD），单光子雪崩二极管（SPAD），硅光电倍增管（SiPM）等，主流供应商一般是 SONY，HAMAMATSU；
扫描方式：传统的机械式（电机带动激光器进行旋转），半固态的比如 MEMS 振镜方式，转镜，MMT 电磁共轭微振动等，纯固态的比如 FMCW，OPA 等；
3.4 ToF，时飞法
ToF（Time-of-flight，时飞法） 通过测量一束光穿过介质，到达目标，然后返回到检测器的时间；
这项技术不仅广泛用于激光雷达，也用于生物成像中；
和立体成像，结构光注入成像不同，ToF-LiDAR 不需要复杂的重构算法，所以可以用于实时场景；
除此之外，对于大视场角的场景，ToF 技术是最适合的而且可以保证厘米级别的精度；
TOF 分为 dToF 和 iToF，前者使用时间分辨探测器和电子设备（脉冲激光雷达）直接测量，后者通过相位分辨测量（用于连续波，即 CW-LiDAR）间接估计；
3.4.1 直接时飞法，Direct time-of-flight，dToF
脉冲激光雷达，利用 dTOF 方式，测量激光束发出，穿过介质，到达目标，返回到检测器的时间；
通过飞行的时间，就可以轻松的计算出距离信息；
该技术需要短（通常 <1 ns）激光脉冲，高带宽探测器，具有亚纳秒分辨率和时间抖动的定时电子设备；
脉冲激光雷达中，电子设备的分辨率直接影响到深度信息的分辨率；
FSR 的距离仅受限于发光的功率，目标的反射率和定时电子设备；
出于这样的原因，脉冲激光雷达在某些长距场景下得到广泛应用；
脉冲激光雷达需求和挑战
激光雷达的性能指标往往关注 FSR，精度，FOV，角分辨率和处理速度，除此之外，户外情况下对于强背景光干扰的处理，人眼安全和激光雷达之间的抗干扰；
就 FSR 来言，激光雷达系统分为
短距（几米范围，比如 AR 游戏）
中距（几十米，比如工业自动化中）
长距（几百米甚至到几百公里，比如自动驾驶和卫星探测）
长距可以通过脉冲激光雷达技术，与高功率激光器、具有单光子灵敏度的探测器，和具有足够 FSR 的定时电子设备 (TDC) 相结合来实现；
脉冲激光雷达中，测量精度受 TDC 分辨率（即 LSB）和门窗之间的最小可行延迟偏移的强烈影响，因此 FSR 与精度相互制衡；
除此之外，可以通过获取更多到达时间，然后再重复多次测量中计算出均值来提高精度；
FOV 和角分辨率取决于扫描速度和扫描数目，对于 Flash-LiDAR，取决于像素数目；
获取速度，对于实时应用来说一个十分重要的因素，也与 FOV 和角分辨率有关；
事实上在扫描系统中，FOV 和角分辨率越好，处理速度就越慢；
Flash-LiDAR 中也有类似的性能权衡，因为给定激光源的功率，更大的 FOV 和更多的像素数目会导致，每个像素的光子更少，从而需要进行更多次的重复测量；
对于高帧率的脉冲激光雷达，尽可能多的光子需要被检测到，然后打上时间戳，因此获取速度也影响着整体的检测效率；
动态范围 / Dynamic Range, DR 对于检测系统来说是一个很大的挑战，尤其是在强背景光下（例如，室外有太阳光照），和距离非常不同，且反射率和角度变化极大的不同目标时；
除此之外，背景抑制 / Background Rejection（比如如何在返回的信号中过滤掉背景光）对于高性能激光雷达来说，是一个关键因素；
脉冲激光雷达探测技术
6.1 通用的探测器
1. 电荷耦合元件（Charge-coupled devices, CCDs）
电子倍增 CCDs（Electron-multiplying CCDs, EM-CCDs）
增强 CCDs（Intensified-CCDs，I-CCDs）
2. 雪崩光电二极管（Avalanche photodiodes，APDs）
3. 单光子雪崩二极管（Single photon avalanche diodes, SPADs）
4. 硅光电二极管（Silicon photomultipliers, SiPMs）
Analog SiPM, a-SiPM
Digital SiPM, d-SiPM
雪崩光电二极管 APD 目前比较成熟，也是目前激光雷达主流的探测器选择
激光雷达中常见的 SPAD 和 SiPM 探测器
近些年来，许多公司（比如丰田，ST 半导体，索尼，松下，ON 半导体， Ford-Argo）都在开发激光雷达所需要的 SPAD 和 SiPM 阵列；
2013 年丰田公司在日本对外发布了，用于脉冲激光雷达的 SPAD 传感器，基于 32 个宏像素的线性阵列，每个宏像素包括 12 个用于光子符合检测的 SPAD， 和还包括用于 TOF 处理的片上数字信号处理器 (DSP) ；丰田还在为 LiDAR 开发性能优化的 SPAD 探测器，特别是具有增强的红色探测效率；
ST 半导体在法国开发了一种高性能 3D 堆叠技术，具有用于 SPAD 的 背照式（Back-side illuminated, BSI） 顶层，连接到与前端传感和数字处理的，一个高压 40 nm 的 CMOS 底层；
收购 SensL 之后，安森美半导体为激光雷达开发研发 SiPM 和 SPAD 阵列；第三代激光雷达成像系统基于 1x16 模拟 SiPM 阵列，适用于有阳光的户外场景，支持到 40 m 的 FSR；安森美半导体首款 SPAD 阵列（400 x 100 像素）“Pandion”，针对于大视场角的激光雷达设计；
日本松下向外界发布了目前最大的 SPAD 阵列（1200 x 900 像素），适用于高达 250 m，10 cm 分辨率的长距离激光雷达，混合 dTOF 和 iTOF 架构；模拟像素基于使用 BSI CMOS 图像传感器 (CIS) 技术制造的垂直 APD (VAPD)，由于垂直电流和模拟前端，与标准 SPAD 相比，提供更小的像素尺寸 (6 µm)；
最近日本索尼发布了一个基于 189 x 600 像素 SPAD 阵列（基于 3D 堆叠技术，其中包括用于 SPAD 的 90 nm BSI 层和用于数字逻辑的 40 nm CMOS 层）的完整 MEMs 激光雷达系统；索尼这款 LiDAR 系统，面向汽车应用，具有 300 m FSR 和用于太阳背景抑制的微像素逻辑；
Princeton Lightwave 公司开发了一种用于 1550 nm 波长激光雷达的 InGaAs / InP SPAD 阵列，32 x 32 像素，通过热电冷却来进行冷却，以较低探测器噪声；
下图中总结了用于 LiDAR 的商用硅 SPAD 探测器的最新趋势：可以看出，SPAD 阵列的像素数量不断增加，而 a-SiPM 阵列的像素数量要少得多；
由于 InGaAs/InP 技术远不如硅成熟，所以没有进行对比；
