在 92 klux 强背景光下，SPAD阵列还能可靠提取ToF信号吗？

华中科技大学武汉光电国家研究中心团队成功研制出基于180 nm BCD工艺的单芯片集成8×8单光子雪崩二极管（SPAD）阵列接收器，为高性能激光雷达（LiDAR）提供了突破性解决方案。

核心技术亮点：

1.动态可重构性：通过独立使能控制信号（SPAD EN），传感器活跃区域可动态匹配激光光斑，从源头滤除光斑外的背景噪声。

2.首创脉冲计数反射率补偿：针对SPAD阵列信号汇聚导致的"走动误差"（Walk Error），首次利用触发脉冲数量估算目标反射率并进行线性补偿，将测距误差从60 cm以上降至±2%以内。

3.高效三阶段直方图策略：创新的算法将RAM资源消耗降低37.5%，同时支持高达10 kHz的测距速率。

4.显著的信噪比提升：通过多回波记录与光子符合检测技术，在92 klux强背景光环境下实现14.39 dB的SNR提升。

通讯作者余宇教授，第一作者魏子琛，团队长期致力于硅光子集成、光通信及高性能传感器设计。

基于飞行时间（ToF）原理的SPAD阵列接收器在实际应用中面临三大瓶颈：

（1）背景光噪声与光子堆积

即使使用窄带滤光片,太阳光仍会频繁触发SPAD。在强光下,首个触发光子往往来自噪声而非激光回波,这种"光子堆积"效应会严重遮蔽真实ToF峰值,导致系统误判目标距离。

（2）多信号汇聚的非线性时延

SPAD阵列通常采用OR门树状结构汇集触发信号。当多个SPAD同时触发时,多路放电电流加速节点电荷排放,导致信号翻转时间发生变化。

高反射率物体触发SPAD数量多、时延短;低反射率物体则相反。这种由反射率差异引起的走动误差可能超过60 cm,严重影响测距精度。

（3）硬件资源与帧率的权衡

高分辨率（31.25 ps LSB）直方图需要庞大的存储资源（BIN）,在片上系统中造成巨大的面积与功耗压力,限制了帧率提升。

1. 动态可重构传感阵列

为8×8阵列中的每个SPAD设计独立使能控制信号,根据光学系统的光斑位置动态关闭光斑外的SPAD单元。

实验证实,在64个SPAD中仅有25个位于有效光斑内,禁用其余单元后噪声性能显著优化。

2. 具备强度感知能力的多回波TDC

开发高时间分辨率（31.25 ps LSB）的时间数字转换器（TDC）,创新之处在于同时记录多个回波的ToF数据与SPAD触发数量。

通过记录触发数量,系统可有效估算反射率,为走动误差线性补偿提供关键依据。

3. 三阶段部分直方图策略

放弃传统全量直方图,将14-bit ToF数据分为5-bit、5-bit与4-bit三个片段,循序渐进锁定峰值BIN地址。

该方法在保持精度的同时,将RAM资源消耗降低37.5%。

4. 光子符合检测与强度过滤

利用激光脉冲的时间相关性,TDC采集2 ns内（对应激光脉宽）的触发总数。

若触发数量低于设定阈值,则判定为背景随机噪声并过滤,显著提升信噪比。

（1）SPAD器件级性能

（2）TDC电路性能

（3）强背景光抗干扰能力

在92 klux强阳光环境下：

．传统单回波方案SNR仅为-11.36 dB,导致测距失效

．应用符合过滤后,SNR提升14.39 dB至3.03 dB,成功提取目标峰值

（4）反射率补偿效果（核心突破）

（5）系统级综合规格

．测距速率：硬件支持10 kHz,实验室演示为1,000 fps

．最大测距距离：白色目标15 m,黑色目标10 m

．芯片尺寸：1.7 mm × 1.8 mm（180 nm BCD工艺）

推荐使用光焱科技SPD2200 

商用级SPAD单光子雪崩二极管效率整合型测试仪

学术贡献：

1.架构创新：三阶段直方图策略为高分辨率面阵SPAD接收器提供了重要的架构参考,在资源受限的片上系统中实现高性能测距。

2.误差校正突破：不同于以往研究聚焦于提升SPAD灵敏度,本研究深刻洞察OR门汇聚造成的走动误差,首次提出基于触发脉冲计数的线性补偿方法,大幅提升LiDAR对异质目标物的检测一致性。

3.抗干扰能力：可重构使能控制与多回波符合检测技术的结合,使芯片在92 klux强背景光下仍能稳定运作。

对于从事硅光子集成与光电集成电路（EPIC）设计的工程师,该研究展示了BCD工艺在光电传感领域的强大潜力。

通过将复杂的数字信号处理（DSP）逻辑与高压雪崩二极管整合在同一硅基片上,有效降低了系统级封装（SiP）的复杂度与延迟。

其10 kHz的硬件运算能力,为实现高帧率3D成像与自动驾驶避障提供了关键技术支撑。

工业应用前景：

该技术为低成本、高性能的单点及扫描式LiDAR开发提供了坚实基础,

特别适用于：

1.自动驾驶车辆的环境感知系统

2.机器人导航与避障

3.工业自动化中的高精度测距

4.三维成像与地形测绘

华中科技大学团队通过电路与算法的协同设计,系统性解决了SPAD接收器在实际应用中的走动误差与噪声抑制两大难题。

该研究不仅是学术上的创新突破,更为工业界开发下一代高性能LiDAR系统提供了完整的技术路径与实验验证,标志着单芯片集成SPAD接收器技术迈入新的里程碑。