LiDAR'a uygulanan SiPM: Önce PDE'yi iyileştirmek yerine neden önce gecikme darbesini çözmemiz gerekiyor?
Silikon fotomultiplier tüpü veya SiPM ile ilgili olarak, temel şeklini ve işlevini daha iyi yansıtmak için Hamamatsu uzun zaman önce Multi-Pixel Foton Sayacı (MPPC) adını verdi. Dolayısıyla piyasada adı geçen MPPC ve SiPM aslında bir çeşit cihazdır. Benzer şekilde, Tek Foton Çığ Diyotu (SPAD), Hamamatsu'da SPPC olarak adlandırıldı ve bu da tek kanal özelliklerini yansıtmayı hedefliyor.
Yeni nesil yarı iletken optoelektronik cihazlar olan MPPC, yüksek kazanç ve diğer özelliklerinden dolayı birçok uygulamada yüksek beklentiler kazanmıştır.LiDAR da bunlardan biridir. LiDAR uygulamasında, PDE (Foto Algılama Verimliliği, yani foton algılama etkinliği), MPPC'nin her zaman daha öne çıkan bir özelliği olmuştur. Aslında, bu çok önemlidir ve ne kadar yüksek olursa o kadar iyidir, ancak tam olarak anlamamız gereken bir sorun vardır, yani PDE'nin iyileştirilmesi, cihazın "gecikme darbesi" sorununun çözümüne dayanmalıdır ve MPPC LiDAR uygulamalarında gerçekten daha iyi bir rol oynar. Daha sonra bu konu hakkında konuşacağız.
Bundan önce, MPPC'nin neden LiDAR için uygun olduğuna ve ne tür LiDAR uygulamaları için uygun olduğuna bir göz atalım.
MPPC, 10 ~ 10 dahili kazanımı nedeniyle dikkat çekmiştir.Elektrik sinyal-gürültü oranının hesaplanmasında, APD'nin SNR hesaplama formülü gibi, cihazın kazancının genel elektriksel sinyal-gürültü oranını iyileştirebileceğini görebiliriz:
Bunlar arasında: P (R) alınan ışık yoğunluğudur; S duyarlılıktır; PB arka plan ışık gücüdür; R0 yük direncidir ve B algılama devresi bant genişliğidir.
Kazanç M arkadaki termal gürültüye yerleştirilirse, kazancın sinyal-gürültü oranına katkısının arka uç devresinin alt saptama sınırını azaltmak olduğu bulunabilir.
MPPC böyledir ve kazancı daha yüksek olacaktır. Bununla birlikte, kazanç arttıkça, arka plan ışığı gürültüsünün etkisi çok önemli hale gelir Cihazın doğrudan güçlü arka plan ışığına doyması ve bir sonraki alınan sinyale tepkisini kaybetmesi mümkündür. Aşağıdaki basit karşılaştırmalı deney sayesinde, bu sorunu daha sezgisel olarak görebilirsiniz:
Olay açıklığının (Diyafram) 2 mm diyafram kullandığı ve 100lux'taki sinyalin aşağıdaki gibi olduğu 200 m'lik bir mesafedeki durumu simüle etmek için aynı alıcı optik yola (olay açıklığı, filtre değiştirilebilir) ve alıcı uçla aynı alana sahip üç cihaz kullanıyoruz:
Arka plan ışığı 100Klux'a yükseltilirse, sürekli beyaz gürültü APD dedektörünü şu anda sinyal işlemeden doldurur ve MPPC bu sırada sinyali yine de ayırt edebilir.
Bununla birlikte, diyafram açıklığı 8 mm veya daha büyük bir değere yükseltilirse, APD sinyali tekrar görünecek, MPPC gürültüsü keskin bir şekilde artacak ve SPPC tamamen doygun hale getirilecek ve bastırılacaktır.
Bu nedenle, kazanç tipi bir cihazda, kazanç ne kadar büyükse, arka uç gürültü bastırma yeteneği o kadar güçlüdür, ancak anti-optik gürültü yeteneği o kadar zayıftır.
MPPC için, alma açısının nasıl tasarlanacağı LiDAR uygulamalarında çok önemli bir noktadır. Ya küçük bir ışık açıklığı kullanın ve dar bir bant filtresi kullanın ya da açısal bölme için dedektör kanallarının sayısını artırın. Bu şekilde, sinyal daha iyi çıkarılabilir ve yüksek kazancının özelliklerinden yararlanılabilir.
Yukarıdakiler, Hamamatsu'nun piyasaya süreceği 16 kanallı doğrusal dizi ve 32 × 32 kanallı alan dizili MPPC ürünleridir.
Basit bir özet yapmak gerekirse, MPPC'nin yüksek kazancı daha sonra elektriksel gürültüyü ortadan kaldırmaya yardımcı olur, ancak optik gürültünün dezavantajını da beraberinde getirir. MPPC'yi iyi kullanmak istiyorsanız, yalnızca optik gürültüyü azaltabilirsiniz. Bu etki, optik sistemin işlenmesi veya MPPC dizisinin açı bölünmesi yoluyla görüş açısının azaltılmasıyla elde edilebilir. MPPC'yi LiDAR'a uygulamak istiyorsanız, bu bir önermedir.
Ancak, cihaz dışındaki optik tasarım ile tüm sorunlar çözülemez. Daha önce bahsettiğimiz "gecikme darbesi" bile böyledir.
Hepimiz PDE seviyesinin MPPC'nin algılama verimliliğini ölçmek için anahtar bir parametre olduğunu biliyoruz, ancak çoğu zaman fark edilmeyen ancak lidar'da çok önemli olan başka bir "çapraz konuşma" parametresini gözden kaçırmış olabiliriz.
Gerçek LiDAR uygulamalarında, güçlü ışık geri döndüğünde, bir sonraki darbenin alınmasını etkileyecek şekilde, 20us'dan daha büyük bir kuyruk oluşma olasılığı yüksek olacaktır. Bu leke sonraki devrelerle giderilebilir mi? MPPC çapraz konuşma türlerine bakalım:
Yukarıdaki tabloya göre, geçici parazitin ana kaynağı, kanallar arasındaki doğrudan foton paraziti ve cihaz yüzeyine yansıyan foton paraziti dahil olmak üzere ışıktır. Tek bir foton kaynağı kullanılırken görünen optik çapraz karışma darbe dalga biçimi aşağıdaki gibidir.
Gecikmeli darbenin kaynağı, darbe sonrası ve gecikmeli karışma darbesi dahil olmak üzere elektronik karışmadır. Aynı pikseldeki elektronların gecikmeli salınımı bir son darbe oluşturur ve elektronların bitişik piksellere difüzyonu gecikmiş çapraz karışma darbeleri üretecektir. Tek bir foton sinyali olayı durumunda, kurtarma süresi sırasında üretilen son darbenin genliği, sinyal darbesinden daha küçüktür ve kurtarma süresi sırasında üretilen gecikmiş çapraz karışma darbesi, aynı genliği korur.
Kurtarma süresinin dışındaysa, bu iki nedenin neden olduğu gecikmiş parazitin ayırt edilemez olduğunu lütfen unutmayın. Hamamatsu, bu iki çapraz konuşma sinyalini toplu olarak Gecikmeli darbe olarak adlandırır.
Bu anda, güçlü ışık olayından sonraki uzun süreli lekelenme Gecikmeli darbeden kaynaklanır.Bu aşamada, MPPC'de bitişik piksellere sürekli elektronlar vardır ve bir son darbe üretme olasılığı vardır, bu da Nabız tespiti. Sinyal, cihazın kendisi tarafından üretilen birden fazla sinyalin üst üste binmesi olduğundan, harici devre etkisini ortadan kaldıramaz ve cihazın temel yapısından yalnızca temel bir iyileştirme yapılabilir.
2017 yılında Hamamatsu, PDE'si o zamanki piyasa seviyesinden önemli ölçüde daha iyi olan S13720 serisi MPPC ürünlerini piyasaya sürdü. Ancak, ilerleyen dönemde bu parametrenin iyileştirilmesine bağlı kalmadılar, yani LiDAR geliştiricileriyle yakın etkileşim içinde, " "Gecikmeli darbe" kaçınılmaz olarak uygulama kısıtlamaları getirecektir. Temel yapı seviyesinden yeniden denemek ve ayarlamak çok yorucu ve zaman alıcı olsa da, bu bir zorunluluktur. Öncelikle PDE'yi artırmak nispeten hızlı olacak olsa da, cihazın temel sorunu çözülmedi, tıpkı yüksek platformun inşa edildiği gibi, ancak temel hala gevşek.Bu, MPPC'nin pratik uygulaması için gerçek yapıcı öneme sahip değil.
İki yıllık fethin ardından, Hamamatsunun yeni MPPC ürünü bu sorunu büyük ölçüde çözdü. Gecikme darbe olasılığı S13720 serisinin% 38'inden% 1'e düşürülecek. Yeni ürünün bu yılın ortasında piyasaya sürülmesi bekleniyor. Daha sonra Hamamatsu, uygulamaların ihtiyaçlarını daha iyi karşılamak için kısa sürede MPPC'nin PDE seviyesini önemli ölçüde artırmayı planlıyor.
Önceki nesil Hamamatsu MPPC ile karşılaştırıldığında, uzun kuyruk sorunu büyük ölçüde çözüldü.
Lei Feng Ağı Lei Feng Ağı
