本次我们结合已规模量产的SPAD-SoC真实案例和产品手册探讨一下SPAD-SoC实际产品的内部构造、工作流程、关键指标和输出模式。01 基本结构1. 基础架构SPAD-SoC采用感算一体的架构设计将单光子雪崩二极管SPAD阵列与完整的数字信号处理系统集成在同一芯片上。SPAD-SoC可以同时完成光子检测、时间测量、信号处理和数据输出等全流程可实现从光子入射到深度/图像数据的直接输出。与传统的分立方案相比SPAD-SoC具有集成度高、功耗低、体积小、响应速度快等优势是目前高线束长距激光雷达和Flash短距激光雷达的核心部件对激光雷达性能的影响最大因此成为激光雷达厂商竞相争取的技术高地。如下是Sony IMX459的芯片架构示意图如下是一款线阵SPAD-SoC实物照片用于高线束长距激光雷达。2. 内部结构一个典型的SPAD-SoC芯片内部结构如下注意由于各厂家设计理念有一定区别实际SPAD-SoC产品的结构可能和上图有一定差异具体请参考实际产品Datasheet。SPAD-SoC内部主要包括3部分Part1光子检测与时间测量。包括SPAD阵列单光子探测、淬灭电路和TDC时间测量。Part2信号处理。包括直方图生成、数字信号处理。其中数字信号处理分为FIR、回波检测、FWHM、深度计算等环节。有些SPAD-SoC增加了“点云处理”模块进一步提升SPAD-SoC的集成度。Part3系统控制与数据输出。通过I2C/SPI接口接收主处理器指令完成芯片参数配置、激光发射与接收的同步工作。其他还包括电源管理、PLL、温度传感器和安全监控等模块。3. 工作流程SPAD-SoC基本的工作流程如下图片来源Sony其中SPAD 阵列在盖革模式下接收回波光子并触发雪崩效应经淬灭 / 复位电路完成单次探测循环后多个 SPAD 组成宏像素进行信号合并。之后通过采样将光子到达时间转换为数字量生成 时间 - 光子计数 直方图。最后经 FIR 滤波降噪、多回波峰值检测和距离解算最终通过输出接口将点云数据传输至外部处理器。02 Part1光子检测与时间测量1. SPAD像素阵列SPADSingle-Photon Avalanche Diode是SPAD-SoC的核心感光元件。每个SPAD工作在盖革模式Geiger Mode当单个光子入射时会触发雪崩击穿产生可被检测的电流脉冲。成千上万个SPAD像素按二维网格排列形成SPAD-SoC的感光核心。SPAD像素的关键特性有像素尺寸决定空间分辨率和填充因子目前市场产品普遍为10μm×10μm左右。像素规模从数万到数十万不等面阵SPAD-SoC常见配置有768×576、576×432等线阵SPAD-SoC中IMX459是189×600IMX479是105×1560。光子探测效率PDEPhoton Detection Efficiency衡量SPAD灵敏度的核心指标指SPAD检测到入射光子的概率。先进的SPAD-SoC在905nm或940nm波长下PDE可达25%以上速腾最新发布的自研SPAD-SoC的PDE超过45%。死时间DTDead TimeSPAD检测到一个光子后恢复到可检测下一个光子状态所需的时间。该指标影响最大计数率目前通常在7ns~22ns之间。暗计数率DCRDark Count Rate在没有入射光的情况下SPAD自发产生雪崩脉冲的概率。DCR是主要的噪声来源之一目前典型值约300cps至数百万cps。后脉冲概率APPAfter Pulse ProbabilitySPAD雪崩结束后由于陷阱中载流子的释放而产生虚假脉冲的概率通常在2%~5%之间。输出抖动JitterSPAD响应时间的不确定性影响时间测量精度约200ps级别。串扰CTCross Talk一个SPAD的雪崩脉冲引起相邻SPAD产生虚假脉冲的概率通常在1%~5%之间。串扰是激光雷达非常常见的问题串扰抑制是SPAD-SoC芯片设计的重要考量因素。2. 淬灭电路Quench Circuit淬灭电路是SPAD工作的关键配套电路主要功能是1主动/被动淬灭快速降低SPAD偏置电压终止雪崩过程2复位控制在死时间结束后恢复SPAD至待探测状态3脉冲整形将雪崩电流转换为标准数字脉冲供TDC测量。被动淬灭架构结构简单、功耗低通过串联电阻实现自淬灭主动淬灭响应更快死时间更短但电路复杂度和功耗更高。3. 时间数字转换器TDC阵列紧接在SPAD阵列之后每个SPAD像素对应一个或共享一个TDC。TDC的核心功能是精确测量激光发射时刻到光子返回时刻的时间间隔飞行时间ToF。TDC通常采用延迟线型或游标型架构通过测量信号在延迟链中的传播位置来实现时间数字化。TDC的关键指标是时间分辨率每1ns时间分辨率对应约15cm的距离分辨率先进的SPAD-SoC中的TDC时间分辨率可达皮秒级别。还有另外2个指标时间窗口TDC能够测量的最大时间间隔决定了系统的最大测距距离常见配置为672~2048个Bin计数深度每个Bin在每个时间段能够统计的最大光子数也称为计数器位宽通常为10bit该指标决定动态范围。03 Part2信号处理1. 直方图生成直方图生成模块是dToF信号处理中的关键环节。由于单次光子检测会受到暗计数噪声、背景光噪声和散粒噪声的严重干扰无法直接用于测距。因此通常使用直方图通过统计方法提取有效信号。直方图生成模块会统计成百上千次激光脉冲周期的TDC时间戳数据统计每个时间点的光子计数生成时间-光子计数直方图。同时它还会统计背景噪声的分布特性为后续的滤波和信号提取提供依据。直方图生成的工作流程累积阶段在数百至数千次激光脉冲周期内将TDC输出的时间戳按Bin分类计数直方图生成形成时间-光子计数二维统计分布噪声统计同步统计背景噪声的分布特性为后续滤波提供依据直方图的峰值位置对应目标距离峰值宽度反映信号质量背景计数水平反映环境光强度。2.FIR滤波器FIRFinite Impulse Response滤波器是数字信号处理中最基础、应用最广泛的线性滤波器之一。它的核心特点是单位冲激响应仅在有限个时间点上非零输出仅由当前和过去的输入信号加权求和得到没有反馈回路。在 SPAD-SoC中FIR 滤波器是片上信号处理流水线的核心模块专门用于对原始 时间 - 光子计数 直方图进行平滑去噪是提升信噪比、保证测距精度的关键环节。目前产品中常用16抽头FIR可根据应用场景调整相关滤波系数。3. 峰值搜索峰值检测在滤波后的直方图中搜索局部极大值先进的SPAD-SoC支持多回波检测通常最多可输出5个可同时检测穿透玻璃、树叶、雾气后的多次反射信号。有些还支持回波分裂判定用于处理复杂反射场景。可配置动态检测阈值随噪声水平和时间Bin索引自适应调整。4. 半高全宽FWHM计算FWHMFull Width at Half Maximum半高全宽即回波峰值高度 1/2 处的波形宽度。FWHM可用于补偿不同反射率物体、不同距离导致的回波展宽误差提高测距精度FWHM越宽表示测距误差越大因此可通过 FWHM 进行误差补偿。FWHM能够区分真实回波与噪声噪声尖峰通常较窄而真实回波具有一定的波形宽度。FWHM还可用于判断目标反射率与距离远距离或低反射率目标会使 FWHM 变宽。在两个回波距离过近时也能依靠 FWHM 判断回波是否重叠从而实现多回波有效分辨。5. 深度计算与误差校正根据回波峰值的时间戳计算出最终的距离值并结合FWHM、回波强度和噪声信息进行误差校正。图片来源灵明光子04 Part3系统控制与数据输出1. 系统控制单元系统控制单元是SPAD-SoC的全局运行管理核心负责统筹芯片全生命周期的状态切换与资源调度。主状态机控制芯片的上电、初始化、正常运行和低功耗模式切换协调各模块的时序与工作流程配置寄存器存储曝光时间、激光脉冲宽度、ROI区域、工作模式等所有芯片参数为各功能模块提供配置依据PLL时钟生成器将外部输入的低频时钟倍频为芯片内部所需的高频时钟保障各模块同步运行安全与监控模块集成电压、温度、时钟及VCSEL触发监控功能确保芯片安全可靠运行特别是实现人眼安全保护内置温度传感器实时监测芯片结温用于动态调整SPAD工作电压补偿温度变化对探测性能的影响。2. 激光控制单元SPAD-SoC和激光器需要严格同步工作因此激光控制单元负责管理激光发射时序确保SPAD-SoC与激光器之间精确同步。激光控制单元通过激光控制单元灵活配置激光脉冲的宽度、周期与重复率支持多通道独立触发输出。激光控制单元同时接收触发反馈信号获取激光实际发射时刻校准系统时序误差。有些SPAD-SoC还支持外部触发输入可实现多传感器或多设备的同步工作。激光控制单元通常还集成伪随机序列PRBS调制功能有效解决多设备同场工作时的相互干扰问题。3. 数据输出与通信接口单元数据输出与通信接口单元负责SPAD-SoC与外部主机的双向数据交互。其中MIPI控制器与C-PHY/D-PHY物理层构成高速串行数据输出通道将片上处理完成的灰度图、直方图、回波信息或深度图按照标准协议格式传输给主机。I2C/SPI从机接口作为低速控制通道接收外部主机发送的配置指令并写入配置寄存器实现对芯片工作模式、参数的动态调整。05 输出模式SPAD-SoC通常支持如下四种数据输出模式可通过软件配置灵活切换满足不同应用场景的需求。注意有些SPAD-SoC产品的输出模式可能更多处理流程和上图也有一定差异不过原理类似。1. 模式1灰度模式Gray Scale Mode该模式不进行任何测距计算直接统计每个像素在固定时间窗口内接收到的总光子数包括信号光和环境背景光生成类似普通CMOS相机的灰度图像。可以采用Z型扫描或卷帘扫描方式读出全阵列支持全分辨率输出曝光时间可配置最短可达80μs最高帧率可达300fps取决于曝光时间和读出效率。该模式输出的数据主要用于环境光强度检测与标定、反射率标定与光斑校准、暗光摄影与红外成像、传感器内参标定、光斑追踪与定位。如下是速腾SPAD-SoC芯片生成的灰度图局部。2. 模式2直方图模式Histogram Mode将直方图生成模块输出的原始时间-光子计数直方图直接输出不进行任何滤波和信号处理。该模式输出的数据包含所有时间Bin的完整计数分布因此数据量很大对后端处理器带宽要求很高。不过由于可以拿到最原始数据灵活性最高支持用户自定义高级算法。输出的数据可用于芯片调试与性能验证、科研实验与自定义算法开发、系统标定与误差分析。业内讨论的卫星激光雷达方案通常会考虑采用这种输出模式图片来源识光3. 模式3回波模式Echo Mode该模式中原始直方图先经过FIR滤波去除噪声然后通过回波检测算法识别出所有有效的激光回波峰值最后将检测到的回波信息包括时间戳、强度、数量等打包输出。回波模式输出的数据量远小于直方图模式同时保留一定程度的信号细节。该模式可用于需要多回波信息的复杂场景例如复杂场景避障如穿透玻璃、树叶后的障碍物检测、3D重建与SLAM、穿透式成像如车窗、雨雾环境、多路径环境下的鲁棒测距。4. 模式4测距模式Ranging Mode测距模式的前序处理FIR滤波 回波检测与回波模式相同主要增加了深度信息的计算。深度信息计算根据回波峰值的时间戳计算飞行时间结合光速换算为距离值。同时计算噪声置信度指标有时也会计算回波半高全宽FWHM与回波面积。该模式可以输出每个像素的深度值距离图和噪声置信度支持输出FWHM等信号质量指标。该模式的数据量在四种模式中最小是绝大多数dTOF应用的主要模式。如下是速腾EM4激光雷达生成的点云深度图像视频从真实案例出发三谈SPAD-SoC——内部结构、工作流程和输出模式含核心资料分享活动06 扫描模式为了适应激光雷达的扫描应用适配不同光学系统SPAD-SoC一般支持多种扫描模式。如果是线阵SPAD-SOC通常采用线扫描模式。该模式采用卷帘快门架构每次只读出一行或几行像素的数据。如果是面阵SPAD-SoC通常具有1D扫描模式和2D扫描模式11D扫描模式其中一个方向水平或者垂直为完整连续光带卷帘沿另一个方向垂直或者水平逐列/行移动。图片来源万集光电22D扫描模式水平和垂直两个方向光带被分割为多个分段卷帘同时沿垂直和水平方向移动。可以先扫描水平分段的所有垂直行再移至下一个水平分段也可以反过来。图片来源万集光电另外有些SPAD-SoC还支持动态ROI扫描。通过掩膜控制有效像素区域可实现灵活的感兴趣区域ROI配置只对感兴趣的区域进行扫描和测距。扩展阅读雪岭 · 激光雷达未来『最核心』器件——SPAD-SoC雪岭 · 再谈SPAD-SoC——数字激光雷达的核心雪岭 · 国内头部激光雷达SPAD-SoC玩家和产品介绍【含直播预告】雪岭 · RGBD单芯片方案汇总、性能局限和应用思考个人观点未必准确欢迎讨论。我是雪岭研究感知、控制和人工智能的技术、产品和应用欢迎交流。联系雪岭和全集索引请参考https://dcn7get8fskg.feishu.cn/wiki/CCMpwjC0EiBIw2kFr7uc84qHneb