APD-Detektor-Arrays in CMOS Scanning-LiDAR – Speed Limit ausgeweitet

Ein Kriterium für die Reichweite von Scanning-LiDAR-Sensoren ist das SNR der Detektoren. Je besser die Signalqualität, desto geringer die Auswertezeiten pro Pixel. Das reduziert die Rechenleistung und erlaubt höhere Fahrgeschwindigkeiten. APD-Arrays auf CMOS-Basis setzen dabei neue Maßstäbe.

Es ist der heilige Gral des automatisierten Fahrens: LiDAR-Sensoren mit 200 m und mehr Reichweite, großem Blickfeld, feiner Winkelauflösung – und das alles bei hohen Fahrgeschwindigkeiten, jeder Witterung und zu vertretbaren Kosten. Die Zahl der Stellschrauben mit denen Designer ihre Systeme in Richtung dieser Ziele ausreizen können, ist übersichtlich.

Reichweite und Bildwiederholrate

Scanning-LiDAR (siehe Kasten) ist die Technologie der Wahl, um Objekte in großer Entfernung vor dem Auto mit hoher Auflösung zu erfassen. Ein Knackpunkt ist dabei die Reichweite, denn sie begrenzt die erlaubte Fahrgeschwindigkeit. Eng verknüpft damit ist die Bildwiederholrate, also die Anzahl Einzelbilder, die das LiDAR pro Sekunde an die Algorithmen des Assistenzsystems liefert. Je höher die Bildwiederholrate, desto höher die Fahrgeschwindigkeit. Der Grund: Die Algorithmen benötigen mehrere Messungen, um verlässliche Umgebungsbilder zu erzeugen, die – zusammen mit Daten anderer Sensoren – als Basis für autonome Fahrentscheidungen dienen. Gleichzeitig limitiert der Bremsweg die Zeit, die dafür zur Verfügung steht. Ein Beispiel: Bei einer Geschwindigkeit von 100 km/h und von 50 Bildern pro Sekunde legt das Auto zwischen zwei Messungen 0,56 m zurück.

Signalqualität bestimmt Detektor-Performance

Technisch hängt die Reichweite eines LiDAR-Sensors in erster Linie von der optischen Leistung des Laserpulses und der Empfindlichkeit des Detektors für das reflektierte Lichtsignal ab. Der Empfänger muss geringe Lichtmengen zuverlässig detektieren. Mindestens genauso wichtig ist jedoch das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) des Signals, das die Detektoreinheit vorverstärkt zur weiteren Verarbeitung ausgibt. Es begrenzt die erreichbare Bildwiederholrate. Der Grund liegt darin, dass trotz entsprechender Wellenlängenfilter erhebliche Mengen Umgebungslicht auf den Detektor gelangen. Unter Umständen sticht das Nutzsignal kaum aus diesem Rauschen heraus. In der Auswertung werden deshalb wiederholte Messungen so lange integriert, bis sich das Nutzsignal klar abhebt. Je besser das Signal-Rausch-Verhältnis des Ausgangssignals ist, desto weniger Integrationszyklen sind dafür nötig. Zu einer LiDAR-3D-Karte tragen tausende Pixel bei, die einzeln ausgelesen und ausgewertet werden. Die Kombination aus benötigter Integrationszeit pro Pixel, verfügbarer Rechenleistung und Anzahl der Pixel gibt die maximal erreichbare Bildwiederholrate vor. Während Rechenleistung und Pixelzahl meist bereits ausgereizt sind, bietet die Signalquali- tät noch Möglichkeiten, um die Inte-grationszeit zu senken. Deshalb ist das SNR des Ausgangsignals das wich- tigste Performance-Kriterium für LiDAR- Detektoren.

Viele Scanning-LiDAR-Detektoren nutzen lineare oder 2D-APD-Arrays. Die empfindlichen Dioden liefern einen Photostrom, der proportional zur detektierten Lichtmenge ist. Separate Transimpedanzverstärker (TIA) verstärken zeilen- oder spaltenweise die Stromsignale und wandeln sie in Spannungen zur Weiterverarbeitung um. Wird der Laserstrahl zum Beispiel zeilenweise über den Detektor geführt, ist pro Spalte nur ein Pixel vom Laser beleuchtet. Die Krux besteht darin, dass alle Pixel dieser Spalte zum Stromsignal am TIA beitragen, obwohl nur ein Pixel das Lasersignal trägt. Die Ströme aller anderen Pixel rühren ausschließlich von Umgebungslicht her und verursachen im Gesamtsignal ein sehr hohes Rauschen. Die Auswertung benötigt viele Integrationszyklen um schwache Nutzsignale eindeutig zu identifizieren.

Hier eröffnen APD-Arrays auf CMOS-Basis (Bild) dank integrierbarer Schaltelemente deutliche Verbesserungen. Broadcom entwickelt solche Detektoren mit bis zu 20.000 Bildpunkten. Wichtigstes Merkmal sind im Chip integrierte TIA, denen mehrere Pixel zugeordnet sind. Die Zuordnung ist flexibel und hängt von der jeweiligen Konfiguration ab. Eine einfaches Set-up ist zum Beispiel ein TIA pro Spalte. Die Photoströme aller Pixel dieser Spalte sind dann auf diesem TIA-Kanal zusammengefasst. Pro TIA gibt der Detektor das vorverstärkte Amplitudensignal aus.

Hervorragendes Signal-Rausch-Verhältnis

Das APD-Array beinhaltet integrierte Schaltelemente, mit denen sich Pixel individuell an- und abschalten lassen. Diese Active-Shuttering-Funktion ist der Schlüssel für die hohe Signalqualität des Detektors. Pixel, auf die kein Laserlicht trifft, werden deaktiviert und tragen nicht zum Eingangssignal am TIA bei. So sinkt der Anteil des Umgebungslichts im Signal erheblich. Das Ergebnis ist ein deutlich verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis am Ausgabekanal. Selbst schwache Signale werden innerhalb kurzer Integrationszeiten herausgearbeitet und der LiDAR-Sensor kann eine hohe Bildfrequenz liefern. Der Umlenkwinkel des Laserstrahls und die Lichtverteilung vorheriger Messungen liefern die Informationen darüber, welche Pixel sich abschalten lassen. Im Prinzip wird hierbei der Detektor elektronisch dem Blickfeld des Lasers nachgeführt.

Die aktive Shuttering-Funktion erlaubt außerdem, bei jeder Messung andere Pixelgruppen zu bilden und einem Kanal zuzuordnen. Damit wird eine Art elektronischer Zoom möglich: Benachbarte Pixel mit einem schwachen Lichtsignal lassen sich bei der nächsten Messung zusammengefasst auslesen. Das resultierende Signal ist deutlich stärker und kann mit kürzeren Integrationszeiten ausgewertet werden. Bisher muss in einem solchen Fall pro Pixel sehr lange integriert werden, um eventuell vorhandene schwach reflektierende Objekte zu identifizieren.

Überstrahlen schwach reflektierender Objekte verhindern

Ein weiteres Feature des Detektors, der Active-Gain-Effekt, adressiert eine typische Herausforderung: Ein dunkel gekleideter Mensch steht direkt neben einem hoch reflektierenden Objekt, beispielsweise einem Verkehrszeichen. Auf dem Detektor verteilen sich das starke und schwache Lichtsignal auf benachbarte Pixel. Normalerweise würde das schwache Signal überstahlt und das dazu gehörige Objekt nicht oder erst nach sehr vielen Integrationszyklen detektiert. Broadcom integriert in das APD-Array TIA mit unterschiedlichen Verstärkungsmodi. Zum Einsatz kommen logarithmisch und linear verstärkende TIA oder Varianten mit Signalkompression. So lässt sich die Signalverstärkung für eine ausgewählte Pixelgruppe an die eintreffende Lichtmenge anpassen. Starke Pixel werden einzeln auf niedrige Verstärkung geschaltet, schwache Pixel gruppiert und hoch verstärkt. Damit ist sichergestellt, dass starke Signale schwache Signale nicht beeinträchtigen und alle Objekte sicher und innerhalb vertretbarer Integrationszeiten erfasst werden.

Weitere Features integrierbar

Die APD-Arrays mit integrierten TIA vereinfachen das Sensor-Design insgesamt, denn sie reduzieren die Zahl der Einzelkomponenten und den damit verbundenen Aufwand. Auch parasitäre Kapazitäten, die durch Bonddrähte zwischen separaten APD und TIA verursacht werden, minimieren sich. Dadurch steigt die Signalqualität. Dank CMOS lassen sich auf Wunsch außerdem weitere Features in das APD-Array integrieren. Denkbar sind folgende Funktionen:

  • One-Time-Programmable-Bausteine (OTP), beispielsweise um Kalibrierdaten oder Device-IDs zu hinterlegen.
  • Time-to-Digital-Converter. Der Detektor gibt dann pro Pixel neben dem Amplitudenverlauf auch den digitalen Zeitstempel für die Laufzeit aus.
  • Temperatursensor für die Kompensation der temperaturabhängigen Effizienz von Detektor und Laser.
  • Bandpassfilter zur Reduktion des Rauschens.
  • Safety Logic, zum Beispiel unabhängige Funktionstests für die Pixel-Matrix, Selbstüberprüfung des Detektors anhand von Referenzsignalen oder Prüfung der Konfiguration (redundante Logik).

Silizium-Photomultiplier in Entwicklung

Die neuen CMOS-2D-APD-Arrays bieten ein herausragendes Signal-Rausch-Verhältnis. Selbst schwache Signale lassen sich innerhalb einer vertretbaren Rechenzeit zuverlässig herauslösen. Die Bildwiederholrate des Scanning-LiDAR-Systems verbessert sich deutlich, sodass höhere Fahrgeschwindigkeiten möglich sind. Für die neue Lösung überträgt Broadcom seine Erfahrung mit Time-of-Flight-Sensoren und sein Know-how für Automobilanwendungen auf Detektoren für Scanning-LiDAR. Die Bauteile werden kundenspezifisch entwickelt und sind entsprechend AEC Q101 für den jeweiligen Einsatz im Fahrzeug qualifiziert. Parallel zu dieser Entwicklung baut Broadcom sein Angebot an Detektoren für LiDAR-Systeme weiter aus und arbeitet derzeit an Silicon-Photomultipliern für den Nahinfrarot-Bereich (NIR SIPMs).

Der Autor

Sebastian Bauer
studierte Systems Engineering & Project Management an der Hochschule Landshut sowie Wirtschaftsingenieurwesen an der University of South Australia in Adelaide. Seit Mai 2017 ist er als Marketing Manager bei Broadcom IFPD in Regensburg tätig, wo er im Moment an linearen CMOS APDs und SiPMs arbeitet. Zuvor war Bauer bei Krone, Continental und Osram Opto Semiconductor beschäftigt.

 

LiDAR für autonomes Fahren

Light-Detection-and-Ranging-Sensoren erfassen mit Hilfe von Laufzeitmessungen Entfernungen zu Objekten im Blickfeld. Sie emittieren einen wenige Nanosekunden kurzen Laserpuls, der reflektiert und auf den Detektor fällt. Aus der Zeit, die das Licht für seinen Weg benötigt, berechnet sich der Abstand zwischen Sensor und Objekt. Zum Einsatz kommt infrarotes, für Menschen unsichtbares Laserlicht mit einer Wellenlänge von 905 nm. Als Detektoren finden sich meist hochempfindliche Avalanche Photodioden (APD) oder Einzelphoton-Detektoren (Silicon Photomultiplier, SiPMs oder Single Photon Avalanche Photodioden, SPADs).

Die Reichweite des Systems hängt von der optischen Leistung des Lasers und der Empfindlichkeit des Detektors für das reflektierte Lichtsignal ab. Auf Laserseite begrenzt die Augensicherheit die erlaubte optische Leistung. Gleichzeitig sinkt die Intensität des Lichtstrahls mit dem Quadrat der zurückgelegten Entfernung. Nebel oder Regen verschlechtern das Signal weiter. Dazu kommen schwach reflektierende Objekte – als schlimmster Fall gilt ein Autoreifen weit voraus. Der Detektor muss also kleinste Signale zuverlässig registrieren.

Leistungsfähige LiDAR-Systeme erzeugen hoch aufgelöste 3D Karten und ermöglichen es, Objekte nicht nur zu detektieren, sondern auch zu identifizieren. Das macht diese Technologie unverzichtbar für autonomes Fahren. Es gibt zwei Grundprinzipien für hochauflösende LiDAR-Sensoren:

  • Flash LiDAR leuchtet mit einem sehr starken Laserstrahl einen bestimmten Bereich komplett aus. Die reflektierten Signale treffen auf ein Detektor Array. Für jeden Pixel werden Laufzeit und Amplitude des Laserpulses erfasst.
  • Scanning LiDAR rastert mit einem oder mehreren Laserstrahlen die Szenerie ab. Die Umlenkung des Laserlichts erfolgt beispielsweise durch einen rotierenden Spiegel (MEMS) oder ein Optical Phase Array (OPA). Die reflektierten Laserstrahlen treffen je nach Umlenkwinkel auf unterschiedliche Bereiche des Detektor-Arrays, wo pro Pixel Lichtlaufzeit und Amplitude registriert wird.