東芝布局汽車LiDAR半導(dǎo)體業(yè)務(wù) 多項新技術(shù)助推探測距離翻番

據(jù)麥姆斯咨詢報道，日本東芝（TOSHIBA）將深入開發(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)這三項技術(shù)，預(yù)計到2020年完成前期開發(fā)并達(dá)到實際應(yīng)用水平，然后計劃將其商業(yè)化。其高精度測量IC技術(shù)和錯誤檢測去除技術(shù)，可使LiDAR傳感器的探測范圍相比傳統(tǒng)方案提高約1.8倍。

圖1 典型LiDAR結(jié)構(gòu)框圖

2025年市場需求將達(dá)3000萬臺

東芝對汽車LiDAR市場寄予厚望。根據(jù)該公司預(yù)測，未來L3級或更高級別的自動駕駛汽車數(shù)量將持續(xù)增長，這將推動LiDAR需求迅速增長。市場預(yù)計一輛汽車將安裝多個LiDAR傳感器，到2025年，每年的市場需求將超過3000萬臺。在此之后，汽車LiDAR市場仍將保持繼續(xù)增長，東芝預(yù)測2025~2035年的復(fù)合年增長率（CAGR）將達(dá)到18%。

東芝開發(fā)的測量IC專為采用“直接ToF（飛行時間）”距離測量方法的LiDAR傳感器而設(shè)計。 利用直接ToF距離測量方法，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，并將其輸入到測量IC，利用激光從發(fā)射到反射光返回的時間估算距離。 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)的探測距離和高像素的距離圖像（多個距離測量點(diǎn)）。例如，以時速120公里的速度行駛的車輛，其LiDAR傳感器探測距離需要達(dá)到200m。

為了實現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測和高像素，有必要提高測距精度（準(zhǔn)確率）的同時，降低錯誤檢測。

SAT智能累積技術(shù)，緊盯目標(biāo)物體

為了提高測距精度，東芝開發(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)確地實現(xiàn)距離測量，該研究成果已于2018年2月在ISSCC上公布。

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

圖2 太陽光等強(qiáng)烈的背景光為LiDAR帶來的挑戰(zhàn)

圖3 簡單平均處理的畫質(zhì)問題，降低了行人的識別率

對此，SAT對每個物體（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，由此實現(xiàn)高達(dá)200m的高畫質(zhì)LiDAR成像。

圖4 SAT智能累積技術(shù)概覽

利用新指標(biāo)去除錯誤探測

但是，在進(jìn)行平均處理時，會產(chǎn)生一種被稱為“距離聚集（簇）”的現(xiàn)象，在以往的錯誤檢測消除方法（消噪方法）中，有可能導(dǎo)致來自遠(yuǎn)處物體的正確的探測結(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)距離圖像的每個像素的大小是否超過閾值來判斷/去除噪音（圖6），有可能造成錯誤檢測。

圖5 平均處理中的距離聚集問題

圖6 傳統(tǒng)的噪聲去除方法對聚集噪音不夠有效

為此，東芝開發(fā)了一種算法，通過使用另一種被稱為“信賴度”的指標(biāo)來消除錯誤檢測。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”，排除錯誤檢測（圖7）。此外，該算法能夠用小規(guī)模且低功耗的電路來實現(xiàn)，電路規(guī)模和功耗都可控制在測量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)和新開發(fā)的錯誤檢測去除技術(shù)，去除99%的錯誤檢測，LiDAR傳感器的探測范圍相比傳統(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)行光接收元件的開發(fā)。現(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)備和檢測設(shè)備中的光子計數(shù)，但它們和LiDAR傳感器所常用的光波長不同。因此，東芝正在開發(fā)可用于LiDAR傳感器在約900nm波長范圍內(nèi)具有高靈敏度的SiPM。