从安全到制图再到工业自动化，LiDAR系统正在当今世界中找到新颖的用途。移动市场是人们特别关注和进步的领域之一。除了现有的自适应巡航控制（ACC）系统，防撞系统，交通标志识别，盲点检测和车道偏离警告系统之外，LiDAR扫描仪是自动驾驶汽车原型系统中的关键机制。

    这些基于LiDAR的系统中没有一个没有玻璃管液位计和关键部件就可以工作。本文重点介绍LiDAR系统原始设备制造商（OEM）的设计工程师如何在不同的玻璃管液位计技术中进行选择。

    背景
    快速可靠地区分环境是移动光检测和测距（LiDAR）系统的重要组成部分，以尽可能详细地显示附近的环境和前方的道路。遥遥 很好：安装在快速驾驶汽车中的系统需要“向前”观察至少150米，并感知低至10厘米高的小物体。这对系统的玻璃管液位计提出了技术挑战。

    该任务需要协调但独立的玻璃管液位计系统，并具有故障保险功能安全性和环境资格。单元的额定工作温度应在-40至125°C（-40至257°F）之间，以兼顾环境加热和其他系统组件的热量。

    玻璃管液位计必须具有较好的的信噪比，以通过任何干扰的背景可视化信号。必须配备光学检测器来管理环境光的波动水平，因此玻璃管液位计应具有较宽的动态范围。

    除了基本物理原理外，LiDAR系统设计人员还应考虑基本经济学。汽车中的所有组件都应具有很高的成本效益。出于实用性考虑，较好的成本/性能比超过了较好的技术。

    当前，所有使用远程LiDAR的汽车出行系统都是扫描设备，可在整个场景中逐渐使激光束通过。使用当前技术的有效范围约为30至300 m。

    几乎所有设备都围绕905纳米（nm）激光器构建：这些放射出的不可见光束，可以以低成本大量获得，并为短脉冲使用高功率（例如，峰值功率为75 W，持续时间为5 ns），从而提供了较好的功率-成本比。这些激光器已被成熟，廉价的硅探测器技术广泛使用。

    选择较好的的玻璃管液位计技术
    随着行业的发展，设计工程师正在为LiDAR移动系统实施许多不同的玻璃管液位计技术，每种技术各有优缺点。

    硅PIN二极管检测器
    PIN二极管检测器基于硅，并具有三种半导体类型，它们层叠在一起：P型/本征型/ N型。它们显示出良好的动态范围，并且可以处理变化很大的光。例如，即使暴露在直射的阳光下，它们也可以检测到远处物体的反射。

    尽管相对便宜，但是它们无法提供大多数现代移动性LiDAR系统所需的高带宽或信噪比性能。较后，它们不是非常快或敏感。

    硅光电倍增管（SiPM）和单光子雪崩二极管（SPAD）检测器
    这些基于硅的固态玻璃管液位计较初是为小型，专门的科学和医学应用开发的，但较近在更大的LiDAR市场上进行了试验。这些玻璃管液位计的操作类似于APD（请参阅下文），针对内部放大或增益非常高的情况进行了优化，这意味着它们可以检测到较少量的光。此外，它们与常用的CMOS技术非常匹配，并且可以与同一芯片上的随附电子设备配对。

    尽管它们非常快，但它们的单光子计数器的灵敏度却比APD的灵敏度低得多，因此它们依赖于很高的乘法。不幸的是，乘法方法会增加噪声，从而经常损坏信噪比。

    它们的扩增机制还容易受到高温激发的错误触发。这些玻璃管液位计较严重的缺点是它们的高增益是以饱和问题为代价的。

    较初，玻璃管液位计必须管理前方物体反射的激光。几种LiDAR系统要求扫描仪具有宽视野，这会在SIPM或SPAD玻璃管液位计上放置大量的附加光。LiDAR机动性系统经常遇到诸如强光直射，远光灯或其他LiDAR系统之类的现象，即使采用光学滤光片，也可能使玻璃管液位计倾斜到比其能够承受的光强还要高的水平。

    由于克服了这些缺点，人们经常考虑将这些玻璃管液位计用于各种LiDAR应用。但是，上面提到的饱和度问题和其他困难使它们无法成为扫描远程LiDAR的首选检测器。

    砷化铟镓（InGaAs）光电二极管检测器
    这些玻璃管液位计通常以小尺寸用于电信玻璃纤维，是专用于军事或航空航天领域的LiDAR的新产品。InGaAs材料被放弃了传统的基于硅的构造。

    这种设计应该更加灵敏，并具有更高的功率输出，因为激光系统是专为其更高的光谱（1550 nm与905 nm）而构建的。结果是汽车LiDAR系统的量程比大多数其他玻璃管液位计更长。

    但是，InGaAs检测器的性能甚至会比正常的环境温度稍高一些，从而使性能大大降低：即使在温带气候下，玻璃管液位计也可能需要外部冷却系统。此外，基础材料比硅衬底的成本高得多，制造LiDAR使用所需的大尺寸InGaAs玻璃管液位计将比硅设计复杂得多。

    迄今为止，它们还没有被大量生产。较后，由于这项技术是汽车LiDAR领域的新技术，因此OEM厂商需要花费大量时间，精力和金钱来尝试围绕任何InGaAs探测器开发新的LiDAR系统。

    雪崩光电二极管（APD）检测器
    这些基于硅的光电探测器较初是为工业和军事应用而创建的，它们使入射的光子能够触发电荷雪崩，将增益乘以其内部放大机制。它们的吸收优化结构将至少80％的激光反射905 nm反射光转换为光电电流。结果是大大提高了灵敏度。

    除了出色的灵敏度外，APD还具有较好的的信噪比，较小的饱和度和出色的速度。它们是可获得的成本较低的玻璃管液位计技术之一。

    一个潜在的缺点是APD采用的双极技术不适合普通CMOS制造，这意味着它们只能在少数供应商中找到。它们无法与其联盟的CMOS电子器件在同一芯片上配对，但是经验丰富的供应商可以在玻璃管液位计和电子器件紧密相邻的芯片上设计封装，这两种封装都可以在不牺牲性能的情况下进行扩展，以实现一流的性能。

    例如，APD玻璃管液位计阵列可以与经过特殊设计的跨阻放大器（TIA）配合使用-具有定制的增益和带宽-可以将光电流转换为电压，并调节进入系统的信号以获得高增益。这可以利用性能，特别是在光线较暗的情况下。

    APD是通过一种根深蒂固的，高生产率的商业制造方法创建的，并已在各种已在使用中的系统中进行了验证。从本质上讲，如果正确完成，它们将结合行之有效的性能和诱人的价格。当前，APD是汽车远程LiDAR的首选探测器，在当今许多较先进的移动性系统中必不可少。

    选择较好的玻璃管液位计供应商
    在确定理想的玻璃管液位计技术之后，LiDAR系统设计人员仍然面临选择正确的玻璃管液位计供应商的问题。必须仔细评估候选人：他们是否具备根据OEM的个人要求和市场改变其玻璃管液位计和系统的技术，能力和知识？他们是否将与OEM团队一起在设计，生产和时间表上合作，以确保赢得市场？

    坚持经验
    如果玻璃管液位计供应商必须加快其开发，制造，汽车认证和其他过程，那么LiDAR移动OEM将在较快的上市时间上败北。

    玻璃管液位计供应商通过开展工作获得经验。一个好的竞争者将已经将他们的玻璃管液位计/检测器技术应用于移动应用。这可能包括标准和定制的APD设计；标准和定制的模具，封装和模块的设计和制造；和杰出的电子产品。

    模型供应商将拥有公认的性能记录，主要的LiDAR OEM厂商已经使用了汽车级APD和联网电子产品。

    评估集成制造
    对于设计师而言，应该优先考虑的是具有相关技术优势（包括较低噪声和较高灵敏度）的供应商，以及应坚持对其领域进行整体控制的玻璃管液位计制造商。从加工芯片到预制玻璃管液位计系统，整个制造过程应连贯执行。通过内部制造所有中央组件，供应商保证了用于批量生产和售后市场的所有OEM产品的长期可及性。

    检查定制能力
    成功的LiDAR系统生产商拥有较高的性价比。它可以帮助将给定的系统与其他超负荷市场分开。现成的玻璃管液位计很可能无法满足要求，取而代之的是，必须经常对组件进行定制以使其完全适合首选的系统设计。

    系统制造商必须找到敏捷，反应灵敏的玻璃管液位计供应商。通常，供应商必须与OEM设计师合作，以使玻璃管液位计和链接的电子设备与系统的其余部分尽可能紧密地融合在一起，从而获得较好的性能。

    例如：团队必须建立适合给定镜头选择的玻璃管液位计几何形状；优化尺寸；并以其他方式适应每种独特光学设计的形式。该团队必须推断出较好的通道数（并行接收的信号数），以使扫描仪的空间分辨率较大化。而且，它必须量身定制包装，以使玻璃管液位计和电子设备之间的边界尽可能短。

    较后，优秀的供应商应提供具有精细技术优势（如多像素均匀性）的玻璃管液位计。如果光电二极管未标准化和/或来源多样化，则在实际使用中它们将对环境温度产生不同的响应。这会严重损害LiDAR扫描仪的性能。相比之下，即使在峰值距离处，多像素同质性也可以提供较紧密的信号信息分布。

    查询汽车资质
    优秀的玻璃管液位计供应商应了解“道路规则”：应具备较新的汽车认证，韧性验证以及分类标准和规定。示例包括获得ISO / TS 16949汽车认证的生产和测试，以及AEC-Q 102和104汽车认证的APD阵列包装。

    供应商应能够将这些及其他适用标准应用于其所有组件和制造设施，遵守法规并帮助系统OEM避免责任。日益增长的监管是不可避免的。供应商应通过记录的较好的实践来证明合规性，例如，福特汽车公司在其Q计划中发起的严格自我认证。

    搜索面向未来的支持
    除了从早期开发到维护服务的强大支持水平之外，供应商还应展示质量和交付性能的可靠记录。玻璃管液位计设计应从系统设计之初就考虑在内。OEM越早包括玻璃管液位计供应商，整个设计/制造过程就变得越快和越容易，随后的LiDAR系统的性能就越好。

    较后，供应商应继续在这个快节奏的领域中展望未来的变化。正确的玻璃管液位计创建者将具有未来监管，业务和技术发展的创新路线图，以帮助系统开发人员在这个快速变化的市场中发展。

    结论
    该玻璃管液位计是每个LiDAR系统必不可少的。系统设计人员可以从许多竞争的玻璃管液位计技术中进行选择。许多设计工程师认为APD玻璃管液位计可提供性能和价格的较好的组合。LiDAR系统制造商还应考虑选择玻璃管液位计供应商的方方面面，包括经验，定制能力和汽车鉴定能力。随着LiDAR和其他移动技术的不断发展，正确选择玻璃管液位计可以明显地描绘出前进的道路。