从ADAS应用到关键组件–SPAD扮演的重要角色

智能汽车电子与软件 2023-05-30 17:03

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来源：仪器信息网

ADAS的种类与主要组成

　　什么是ADAS？从字面来看，ADAS就是Advanced Driver Assistance Systems的缩写，翻译成中文，就是先进驾驶辅助系统。既然ADAS是『辅助系统』，自然可知它与『自动驾驶』存有程度上的差异。但若换一个角度来看，ADAS系统的发展却也是我们迈向自动驾驶终极目标的必经之路。

从功能面来看，现今ADAS主要包括了：

自适应巡航控制系统(Adaptive Cruise Control, ACC)：此功能是在传统定速巡航的基础上，采用雷达/光达探测前方车辆与本车的相对距离和相对速度，主动控制本车行驶速度，以达到自动跟车巡航的目的。根据前方是否有车辆，系统可以在定速巡航和跟车巡航之间自动切换。

车载导航系统(Car Navigation System)：透过接收GPS (Global Positioning System)与TMC (Traffic Message Channel)的讯号，再加上安装在汽车上的地磁式方向传感器、陀螺传感器、车速传感器等用来测定汽车的行动轨迹，经过ECU运算，即能确认车辆在地球上的位置。

车道偏离警示系统(Lane Departure Warning System, LDWS)：利用安装在前挡风玻璃上之摄影机，测量车辆前方的道路标线，并实时计算车辆与车道线的相对距离、道路斜率与曲率等参数，当驾驶者不经意偏离车道时，适时给予警讯，让驾驶者实时修正车辆行驶方向，甚至会主动尝试将车辆导回到原本的车道上，降低车祸发生的机率。

盲点侦测系统(Blind Spot Detection)：典型的盲点侦测系统使用安装在汽车两侧的电子侦测装置(通常在左右后照镜周围或是后保险杆周围)，透过电磁波/雷达波/超音波来感应，或是用摄影机拍摄画面。当其中一个传感器侦测到盲点区内有物体时，会透过灯光﹅声音或屏幕影像警告驾驶，避免贸然变换车道，造成事故。

前车防撞警示系统(Front Collision Avoidance System, FCWS)：以镜头结合雷达侦测并利用特殊算法计算即将与前车碰撞的时间，若系统判断车距过近，本车与前方车辆未保持适当安全距离，与即将有碰撞风险时，系统透过警示灯闪烁，并发出警报音提醒驾驶人减速，以减少追撞意外对乘员的伤害。

行人侦测系统(Pedestrian Detection)：以立体摄影机结合雷达侦测前方区块，掌握前方行人及其运动模式。当可能有碰撞风险时，系统会发出警示符号与警告音提醒驾驶人因应。若未能实时反应，更先进的系统将启动煞车辅助。甚至，若系统判断煞车过急，系统更将发出指令，束紧车内安全带、立直椅背以减低冲撞伤害。　　

此外，包括：紧急煞车系统﹅头灯自动启闭系统﹅自动停车辅助系统﹅夜视系统﹅侧风稳定系统﹅驾驶疲劳侦测系统…等，也都属于ADAS的范畴，在此不再一一赘述。　　

从系统架构面来看，ADAS主要由三大模块组成：传感器﹅处理器与制动器。

传感器(Sensor)：用以侦测各种外界的讯号，如：超音波(Ultrasound)、雷达(Radar)、光达(LiDAR)﹅摄影机(Camera)等等，主要用于侦测距离的远近。其功能与应用可由图1一目了然。

图1 因应ADAS不同的功能需求而采用的感测技术总览

处理器(Processor)：处理接收进来的讯号，在汽车里称为「电子控制单元 (Electronic Control Unit, ECU)」，做出适当的分类与处理，再向致动器输出控制讯号。常见如：微处理器(MPU)、数字信号处理器 (DSP)。

致动器(Actuator)：控制各种致动的装置，依照处理器传送过来的控制讯号，让相关的装置完成运作。如：启动自动煞车使汽车停止前进、启动屏幕显示警告讯息、启动蜂鸣器发出警示音等。

LiDAR的用途与相关技术　　

LiDAR的英文全名为Light Detection And Ranging，中文称为『光达』或『激光雷达』。可应用于先进驾驶辅助系统(ADAS)的自适应巡航控制系统﹅紧急煞车系统﹅行人侦测系统与前车防撞警示系统等，其主要功能为精准测距。　　

光达基本是由雷射光源、光传感器和成像机构等3部分组成。雷射光源一般采用半导体雷射；光传感器一般是用光电二极管(Photodiode, PD)或雪崩光电二极管(Avalanche photodiode, APD)；成像机构则分为扫描式或非扫描式的成像机构。在车用光达常用的距离量测方法就是利用飞行时间(Time of Flight, ToF)技术。关于ToF技术，将在本文下一个章节加以说明。　　

目前自驾车的发展，依据『是否采用LiDAR』的选择，分为两个门派：第一个派系是以特斯拉(Tesla)为首的阵营。此门派只以毫米波雷达与摄影机为主，不使用LiDAR。第二个门派则以Google为首。Google不只使用毫米波雷达与摄影机，更使用Velodyne H64E的光达，拍摄360度3D影像。　　

Tesla阵营决定不使用LiDAR的原因是其成本太过昂贵。然而，从近十年两个阵营累计的实际案例来看：Tesla自驾车发生了一些严重车祸案例；而Google自驾车在经历了超过300万英哩的实际测试后，仅发生十余起的轻微擦撞事故。另外，从功能面来看，光达可以提供0.1度角分辨率，100公尺测距和5~10Hz的画面更新率。这让世界各地许多从事自驾车发展的团队，普遍有一个共识，那就是：依现今自驾技术水准，未使用LiDAR作为传感器的自驾车，达到Level 2~3的标准没有问题；但若要达到Level 4~5，亦即达到『高度自驾』甚至是『完全自驾』的程度，就非使用LiDAR不可。

LiDAR对于自动驾驶的发展如此重要，这也促使产品必须朝向更低成本﹅更耐用与更安全的方向发展，具体项目如下：

发展全固态LiDAR：当一个带有旋转扫描机构与驱动马达的模块，装置在需耐受天候并时常遭遇到震动与惯性变化的车辆时，此模块的耐用程度就会遭受到极大的挑战。所以将整个模块全固态化，免除旋转扫描机构与驱动马达，就能有效提升LiDAR的耐用度。

采用单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode, SPAD)作为传感器：当单光子雪崩二极管传感器偏压超过崩溃区，其光子产生的电子受到高电场加速撞击，又产生许多电子，这些撞击产生电子又受到电场加速，又撞击产生更多的电子，这样的连锁雪崩效应所产生的电子增益非常大，所以只要有单光子就可以引发超过阈值(threshold)的电子讯号。SPAD造就了新款LiDAR对光线感知非常敏感的优点，也让LiDAR模块可以采用较低功率 & 较低成本的雷射光源。

改用更长波长的雷射光源：基于成本与功率考虑，目前多数LiDAR使用的雷射光源是905 nm雷射，但是905 nm波段不在人眼安全的波段范围内。一般人眼安全的波段是指大于1400 nm的波段，因为在可见光与波长小于1400 nm的红外光会聚焦在视网膜，容易对视网膜造成永久伤害。改用1400 nm以上的雷射作为光源，对人身健康安全才更有保障。

将LiDAR的发射器﹅接收器与扫描透过半导体制程整合到芯片上：将雷射与传感器一起长在芯片上，将可大幅度缩小体积﹅减轻重量，并符合LiDAR模块全固态化的要求。除此之外，芯片化的设计使其扫描速度比机械式扫描快了千倍以上，并能大幅降低成本，有效提升产品的性价比。

iToF 与 dToF 的差别　　

ToF是Time of Flight的缩写，也就是飞行时间。当我们得知光的飞行时间，将光速乘以飞行时间就可以计算出距离。例如：光飞行一年的距离称为一光年。　　

将ToF技术细分，可分为两种：(1) iToF (Indirect Time of Flight)间接飞行时间技术；(2) dToF (Direct Time of Flight)直接飞行时间技术。欲实现这两种技术都需要有发射端与接收端，其差别主要在于计算距离的公式不同。　　

iToF技术的发射端使用的是调制光，具备特定的周期与振幅。当这个特定调制的入射光从物体表面反射回来，接收器就会接收到相同周期的反射光，但这入射光与反射光两者之间存在着一个相位的延迟。当我们测得此相位差延迟了几个周期，就能透过下列公式计算出距离。

dToF的光源一般采用脉冲光(Pulsed Light)，脉冲光指的是在一个极短时间内发出的光束，dToF的传感器在脉冲光发射出去的时候记录当下的时间，并与接收到反射光的时间计算出时间差(∆t)，然后直接将时间差乘上光速除以2就计算出了物体与车子之间的距离。　　

那么，iToF与dToF各有什么优缺点呢？我们可以从下表的详细比较得知。不过，在此先下个小结论：短期而言，iToF技术挟着CMOS成本优势，应可占有一定的市场份额。但随着SPAD制程技术的持续演进，预期dToF技术的成本将可获得大幅改善。届时dToF技术在侦测距离的优势，将会占据更多市场份额与产品应用。

什么是SPAD？　　

SPAD就是单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode)的缩写，称为单光子累崩二极管，是一种半导体光侦测器。当我们在SPAD两端施加更高的反向偏置电压(硅材料通常为100-200 V)，此时光子进入硅材料后，利用电离碰撞(雪崩击穿)的效应，可以获得大约100倍的内部电流增益，进而引发连锁倍增效应。这时候的电流就会非常大，能够很轻易的被电路侦测到。在制程上，透过掺杂技术的不同，可以让SPAD允许施加更高的电压而不会被击穿，从而获得更大的增益。一般来说，反向电压越高，增益越大。