據麥姆斯谘詢報道，日本東芝（TOSHIBA）將深入開發汽車LiDAR（激光雷達）半導體業務，主要麵向：（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）。東芝目前正在研發這三項技術，預計到2020年完成前期開發並達到實際應用水平，然後計劃將其商業化。其高精度測量IC技術和錯誤檢測去除技術，可使LiDAR傳感器的探測範圍相比傳統方案提高約1．8倍。
圖1 典型LiDAR結構框圖
圖2 太陽光等強烈的背景光為LiDAR帶來的挑戰
圖3 簡單平均處理的畫質問題，降低了行人的識別率
圖4 SAT智能累積技術概覽
圖5 平均處理中的距離聚集問題
圖6 傳統的噪聲去除方法對聚集噪音不夠有效
圖7 簇大小和亮度之間的關係：在LiDAR係統模擬中，簇大小與亮度平方成反比
圖8 基於“信賴度”的噪聲去除效果
圖9 東芝提出的新技術去除噪聲的結果（上方）和現有傳統技術去除噪聲的結果（下方）
圖1 典型LiDAR結構框圖
2025年市場需求將達3000萬台
東芝對汽車LiDAR市場寄予厚望。根據該公司預測，未來L3級或更高級別的自動駕駛汽車數量將持續增長，這將推動LiDAR需求迅速增長。市場預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3000萬台。在此之後，汽車LiDAR市場仍將保持繼續增長，東芝預測2025～2035年的複合年增長率（CAGR）將達到18％。
東芝開發的測量IC專為采用“直接ToF（飛行時間）”距離測量方法的LiDAR傳感器而設計。 利用直接ToF距離測量方法，從紅外激光器發射脈衝光，然後利用光接收元件將從物體反射回的光轉換為電信號，並將其輸入到測量IC，利用激光從發射到反射光返回的時間估算距離。 為了獲取二維距離圖像，通常使用多麵鏡掃描激光束。在測量IC中，執行距離圖像生成等處理。
車載LiDAR需要更遠的探測距離和高像素的距離圖像（多個距離測量點）。例如，以時速120公裏的速度行駛的車輛，其LiDAR傳感器探測距離需要達到200m。
為了實現遠距離探測和高像素，有必要提高測距精度（準確率）的同時，降低錯誤檢測。
SAT智能累積技術，緊盯目標物體
為了提高測距精度，東芝開發了一種被稱為“SAT（Smart Accumulation Technique，智能累積技術）”的方法，即使在各種不同的噪音環境中也能更準確地實現距離測量，該研究成果已於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，遠距離圖像的圖像質量會將低，如同進行了模糊處理，使LiDAR係統難以探測並識別諸如行人和騎行者等物體（圖3）。
圖2 太陽光等強烈的背景光為LiDAR帶來的挑戰
圖3 簡單平均處理的畫質問題，降低了行人的識別率
對此，SAT對每個物體（如汽車和電線杆）進行反射光分類，僅累積並平均處理來自目標物體的反射光（圖4），並在處理中抑製圖像質量劣化。與傳統累積技術相比，東芝SAT分辨率獲得了4倍提高，由此實現高達200m的高畫質LiDAR成像。
圖4 SAT智能累積技術概覽
利用新指標去除錯誤探測
但是，在進行平均處理時，會產生一種被稱為“距離聚集（簇）”的現象，在以往的錯誤檢測消除方法（消噪方法）中，有可能導致來自遠處物體的正確的探測結果被消除（圖5）。根據傳統方法，例如，使用亮度作為指標，根據遠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 傳統的噪聲去除方法對聚集噪音不夠有效
為此，東芝開發了一種算法，通過使用另一種被稱為“信賴度”的指標來消除錯誤檢測。東芝研究發現：“簇大小（N）”與亮度（L）平方的乘積與常數值（a）的相關性（N＝ a／ L2），並基於此設置“信賴度”，排除錯誤檢測（圖7）。此外，該算法能夠用小規模且低功耗的電路來實現，電路規模和功耗都可控製在測量IC的1％以下。
圖7 簇大小和亮度之間的關係：在LiDAR係統模擬中，簇大小與亮度平方成反比
結合上述SAT智能累積技術和新開發的錯誤檢測去除技術，去除99％的錯誤檢測，LiDAR傳感器的探測範圍相比傳統方案可以提高約1．8倍（圖8和圖9）。
圖8 基於“信賴度”的噪聲去除效果
圖9 東芝提出的新技術去除噪聲的結果（上方）和現有傳統技術去除噪聲的結果（下方）
另外，東芝還正在進行光接收元件的開發。現有的LiDAR傳感器通常使用APD（雪崩光電二極管）作為光接收元件。東芝正著手開發比APD更適合於高靈敏度和多信道應用的SiPM（矽光電倍增探測器）。盡管SiPM已經廣泛應用於醫療設備和檢測設備中的光子計數，但它們和LiDAR傳感器所常用的光波長不同。因此，東芝正在開發可用於LiDAR傳感器在約900nm波長範圍內具有高靈敏度的SiPM。
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