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MPPC应用于LiDAR:为何要先解决延时脉冲,而不是先提升光子探测效率?

关于硅光电倍增管,也就是SiPM,为了更好地体现其基本形态和功能,滨松很早以前将其命名为Multi-Pixel Photon Counter(多通道光子计数器),即MPPC。所以,其实市面上所说的MPPC和SiPM是一种器件。同样,Single Photon Avalanche Diode(SPAD)在滨松的命名为SPPC,亦旨在体现其单通道的特性。关于MPPC的基本原理和常见问题,可以点击阅读 《【FAQ】MPPC(硅光电倍增管)基础知识》。


MPPC作为新一代的半导体光电器件,因为其高增益等特性,在许多应用中都获得了极高的期待,LiDAR也是其中一。在LiDAR的应用中,PDE(Photo Detection Efficiency,即光子探测效率),一直以来是MPPC被比较突出看中的一个特性。的确,这至关重要,且是越高越好,不过有一个问题是我们需要充分认识到的,那就是PDE的提升,需要建立在器件"延时脉冲"问题的解决上,以此MPPC才能在LiDAR应用中真正地发挥出更好的作用。在此之前,先来看看为什么说MPPC适合于LiDAR,以及它到底适合什么样的LiDAR应用。


MPPC由于其105~106的内部增益而受到关注,在电信号信噪比的计算中我们可以看出器件的增益对于整体电学信噪比的提升作用,如APD的SNR计算公式:

 

如果将增益M放在后面的热噪声中,可以发现,增益对于信噪比的贡献在于降低了后端电路的探测下限。MPPC则是这样,而其增益会更高。不过随着增益的提升,背景光噪声的影响变得非常重要,很可能在强背景光中使器件直接饱和而失去对下一次接收信号的响应。通过下面这个简单的对比实验,可以更直观的看到这个问题:

 


我们使用相同接收光路(入射孔径、滤波片可切换)和相同面积的三种器件作为接收端模拟200m距离时的情况,其中入射孔径(Aperture)使用2mm的光阑,在100lux时的信号如下:

 

 

如果将背景光提升为100Klux,连续白噪声将会淹没此时未经信号处理的APD探测器,而MPPC仍然可以分辨出此时的信号。

 

 

但如果将光阑孔径提升至8mm或更大,APD的信号会再次出现,MPPC噪声急剧增加而SPPC完全饱和抑制。因此,在增益型器件中,增益越大对于后端噪声的反向抑制能力越强,而抗光噪声的能力却越弱。对于MPPC来说,如何设计接收角度,是它在LiDAR应用中至关重要的一点。要么使用小入射光孔径和使用窄带滤光片,要么增加探测器通道数进行角度分割。如此才能更好的提取信号,利用好其高增益的特点。

 

 

 

做一个简单的总结,MPPC的高增益有助于消除后期的电噪声,但是带来的了光噪声的劣势。要想用好MPPC,只能减少光噪声。而通过光学系统的处理或MPPC阵列的角度分割,将视场角缩小,则可以达到效果。想要将MPPC应用到LiDAR中,这是一个前提。不过,并不是所有问题都可以通过器件外部的光学设计而解决的。我们在前文所说到的"延时脉冲"即使如此。


我们都知道PDE的高低是衡量MPPC探测效率的关键参数,但可能忽略了另一个不常注意,但在激光雷达中至关重要的参数"串扰Crosstalk"。在实际LiDAR的应用中,当有强光返回时,会有很高概率产生20us以上的拖尾,影响下一次脉冲的接收。那么该拖尾能通过后续电路消除吗?让我们来看MPPC串扰的种类有哪些:

 

 

根据以上表格可以看出,瞬时性串扰的主要来源是光,包括通道间直接光子串扰和器件表面反射光子串扰。在使用单光子源测试时出现的光串扰脉冲波形如下。

 

而延时性脉冲的来源则为电子串扰,包含后脉冲和延时串扰脉冲两种。同一像素中电子延时释放形成后脉冲,而电子扩散到相邻像素会产生延时串扰脉冲。在单光子信号入射的情况下,恢复时间内产生的后脉冲幅值小于信号脉冲,而恢复时间内产生的延时串扰脉冲则维持相同的幅度。请注意,如果在恢复时间之外,这两种原因产生的延迟性串扰不可区分。滨松将这两种串扰信号统称为Delayed pulse(延时脉冲)。

 

此时强光入射后产生的长时间拖尾为Delayed pulse(延时脉冲)造成,这一阶段,MPPC中不断的有电子串到相邻的多个像素且有概率产生后脉冲,从而影响下一次脉冲的探测。由于该信号是器件本身产生的多个信号的叠加,外部电路也无法消除其影响,只能从器件的基础结构出发进行根本性的改进。

 


滨松在2017年推出了当时PDE明显优于市场水平的MPPC产品S13720系列,但接下来的时间里并未执着于对此参数的提高,即是在与LiDAR开发者密切互动中,了解到了"延时脉冲"必然会带来的应用掣肘。虽然从基础结构层面去进行重新实验和调整,是十分繁琐困且耗时的,但是是必行之路。仅先提高PDE虽会相对快速,不过器件存在的根本性问题未解决,就好像只搭高台而地基却依然松散一样,这对于MPPC的实际应用,是缺少真正建设性意义的。


通过两年的攻克,滨松新型的MPPC产品已极大程度上解决了此问题,其延时脉冲概率会从S13720系列的38%降低到1%,新品预计在今年年中推出。接下来,滨松也计划在短时间内,将MPPC的PDE水平大幅提升,以更好的满足应用的需求。

 


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