全自動(dòng)駕駛汽車的引進(jìn)已經(jīng)慢到了爬行的地步。盡管如此，后視攝像頭和自動(dòng)泊車系統(tǒng)等技術(shù)的引入，正幫助汽車行業(yè)朝著4級(jí)自動(dòng)駕駛方向不斷進(jìn)步，同時(shí)也提升了駕駛員輔助功能。

為此，東芝公司開(kāi)發(fā)了一種緊湊、高效的硅光倍增器（silicon photo-multiplier，SiPM），使非同軸激光雷達(dá)能夠使用現(xiàn)成的相機(jī)鏡頭，從而降低成本，并有助于實(shí)現(xiàn)固態(tài)、高分辨率的激光雷達(dá)。

汽車激光雷達(dá)（光探測(cè)和測(cè)距）通常使用旋轉(zhuǎn)激光360度掃描車輛環(huán)境，方法是將激光脈沖從周圍物體上反射回來(lái)，并測(cè)量反射光的返回時(shí)間來(lái)計(jì)算它們的距離和形狀。生成的point-cloud地圖可與靜止圖像、雷達(dá)數(shù)據(jù)和GPS結(jié)合使用，以創(chuàng)建車輛行駛區(qū)域的虛擬3D地圖。

然而，高端的激光雷達(dá)系統(tǒng)可能很貴，盡管也有便宜的版本，但價(jià)格通常在80000美元以上。目前這一領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者是Velodyne，它的激光器安裝在車頂?shù)乃苌弦?a href="http://www.makelele.cn/v/tag/1472/" target="_blank">機(jī)械方式旋轉(zhuǎn)。

Illustration: ToshibaA large number of smaller SiPMs are integrated to create a dense 2D array for high sensitivity scanning, while dual data converters employing combined ADC and TDC circuitry are shrunk in order to deal with increased data load on a smaller device.

具體如何實(shí)現(xiàn)呢？

一般來(lái)講，SiPM具有很高的光敏性，因此適于遠(yuǎn)距離探測(cè)。然而，由SiPM組成的光接收電池在被觸發(fā)后需要一定的恢復(fù)時(shí)間。

另外在強(qiáng)環(huán)境光條件下也需要大量的光接收電池，這是因?yàn)樗鼈儽仨毦哂袀溆脝卧拍芗皶r(shí)對(duì)反射的激光做出響應(yīng)。

而東芝SiPM，就是采用單光子雪崩二極管（SPAD）技術(shù)的固態(tài)光傳感器。它包含多個(gè)SPAD，每個(gè)SPAD由一個(gè)淬滅電路（AQC）控制。當(dāng)SPAD檢測(cè)到光子時(shí)，SPAD陰極電壓會(huì)降低，但AQC會(huì)重置并將SPAD電壓重新啟動(dòng)到初始值。

“典型的SiPM恢復(fù)時(shí)間是10到20納秒，”東芝技術(shù)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Tuan Thanh Ta說(shuō)?！巴ㄟ^(guò)使用這種強(qiáng)制或主動(dòng)淬火方法，我們的速度提高了2到4倍?！?/p>

這樣光接收電池工作效率更高，就意味著所需的電池?cái)?shù)量更少，從以往的48個(gè)減少到只有2個(gè)，從而生產(chǎn)出尺寸僅為「25μm×90μm」的設(shè)備。這個(gè)尺寸要小得多，這些傳感器的小尺寸使東芝能夠創(chuàng)建一個(gè)高靈敏度的密集二維陣列，這是遠(yuǎn)程掃描所必需的。

該公司表示：這樣比比尺寸為100μm×100μm的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備小得多。這些傳感器的小尺寸使得東芝能夠創(chuàng)建一個(gè)密集的二維陣列，以實(shí)現(xiàn)高靈敏度，這是遠(yuǎn)距離掃描的必要條件。

不同于同軸激光雷達(dá)系統(tǒng)中使用的一維光子接收器，東芝創(chuàng)建的二維陣列，其二維長(zhǎng)寬比與商業(yè)相機(jī)中使用的光傳感器一致。

這就意味著，可以利用現(xiàn)成的普通相機(jī)鏡頭來(lái)降低成本，而不是像同軸激光雷達(dá)系統(tǒng)那樣，使用一個(gè)昂貴的定制鏡頭來(lái)傳輸。

此外，還需要大型多個(gè)讀出電路通道來(lái)讀取高分辨率數(shù)據(jù)，其中包括用于長(zhǎng)距離掃描的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）和用于短距離的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）。

東芝通過(guò)在單個(gè)電路中同時(shí)實(shí)現(xiàn)ADC和TDC功能來(lái)克服了這個(gè)問(wèn)題，與傳統(tǒng)的雙數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器芯片相比，其尺寸減小了80％（減小到50μmx60μm）。

Tuan Thanh Ta表示，東芝這款激光雷達(dá)，最大有效探測(cè)距離可達(dá)200米，達(dá)到了自動(dòng)駕駛L4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是目前市場(chǎng)上固態(tài)激光雷達(dá)探測(cè)能力的4倍。

澳大利亞昆士蘭理工大學(xué)機(jī)器人中心的跨學(xué)科研究者兼副主任Michael Milford表示：“探測(cè)范圍等因素很重要，尤其是在高速公路等高速環(huán)境中。因此，可以看出，這些（東芝的試驗(yàn)結(jié)果）在商業(yè)關(guān)聯(lián)性方面非常重要的屬性?！?/p>

Illustration: ToshibaNon-coaxial Lidar uses separate optical paths for sending and receiving light source, enabling a commercial lens to be used with a 2D sensor

由于東芝公司的SiPM采用的是二維陣列，與同軸激光雷達(dá)系統(tǒng)中使用的一維光子接收器不同，Ta指出，它的2D寬高比與商用相機(jī)中使用的光傳感器相當(dāng)。因此，現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)，長(zhǎng)焦和廣角鏡頭可以用于特定的應(yīng)用，有助于進(jìn)一步降低成本。

相比之下，同軸激光雷達(dá)使用相同的光路來(lái)發(fā)送和接收光源，因此需要一個(gè)昂貴的定制透鏡來(lái)傳輸和收集接收到的光并將其發(fā)送到1D光子接收器，Ta解釋道。

但正如Milford所指出的，“如果4級(jí)以上的道路自動(dòng)駕駛成為現(xiàn)實(shí)，我們就不太可能有廣泛的解決方案和傳感器配置。因此，（東芝傳感器）的這種靈活性可能更適用于其他領(lǐng)域，如無(wú)人機(jī)和越野自動(dòng)駕駛車輛，因?yàn)檫@些領(lǐng)域的可變性更大，使用現(xiàn)有硬件更為重要?！?/p>

目前，東芝仍在致力于提升其SiPM性能，計(jì)劃將于2022財(cái)年引入實(shí)際應(yīng)用。東芝高級(jí)研究科學(xué)家Akihide Sai如此表示，他負(fù)責(zé)監(jiān)督SiPM項(xiàng)目。盡管他拒絕回答東芝是與汽車制造商合作，還是將生產(chǎn)自己的固態(tài)激光雷達(dá)系統(tǒng)，但他表示，東芝將向其他公司提供SiPM設(shè)備。

他補(bǔ)充道，“我們還看到它被用于無(wú)人機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航和用于基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控的機(jī)器人，以及工廠自動(dòng)化應(yīng)用中?！?/p>

但QUT的Milford指出了這一點(diǎn)。“自主汽車技術(shù)和傳感技術(shù)的許多進(jìn)步，特別是在成本、體積和功率使用方面，只有在4級(jí)以上駕駛的總體挑戰(zhàn)得到解決時(shí)，才會(huì)變得最相關(guān)。它們本身并不是促成這種情況發(fā)生的關(guān)鍵缺失部分。”