综述：面向dToF激光雷达的SPAD阵列芯片设计
2026-09-06 09:54:20 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
这项研究综述了面向dToF激光雷达的SPAD阵列芯片设计的多个方面，重点关注SPAD新思路和智能芯片设计架构，同时提高系统在强环境光、高反射率目标检测等具有挑战性的工作条件下的鲁棒性，并确保系统在多种激光雷达干扰环境下仍能正常运行。
随着激光雷达（LiDAR）对数据处理量、测距精度以及抗干扰能力的要求不断提高，近年来，激光雷达接收芯片在系统架构、数据流设计和算法模块等方面均发生显著变化。图1展示了面向激光雷达的单光子雪崩二极管（SPAD）直接飞行时间（dToF）信号链原理。
图1 典型的硅基CMOS SPAD dToF信号链原理图
据麦姆斯咨询报道，近日，清华大学和阜时科技的研究团队在Discover Nano期刊上发表了题为“A review of SPAD array chip design for direct time-of-flight LiDAR”综述文章，探讨了dToF测距传感器芯片的设计现状，并重点从三个关键方面进行系统总结：一是测距方法的创新，涵盖了“无直方图（histogram-free）”和“可变直方图（variable histogram）”两种新型技术方案；二是抗干扰与精度优化，包括SPAD芯片对环境光的抑制、激光雷达间干扰的缓解以及提高测距精度的校准方法；三是芯片功耗、性能和面积（PPA）的综合设计优化。最后，研究团队针对现有设计瓶颈提出了针对性的改进建议，为后续飞行时间（ToF）测距传感器芯片的研发提供参考。
SPAD传感器处理与集成
研究团队将根据SPAD传感器上是否集成计时与直方图统计功能对SPAD传感器架构进行分类。第一种架构直接读出单个SPAD信号，如图2（左）所示。第二种架构为SPAD内部集成光子计时电路，并采用TDC（时间数字转换器）为单个或多个SPAD提供计时功能。
图2 外部集成与片上集成计时与直方图统计功能的SPAD阵列
系统级芯片（SoC）设计的黄金法则是尽可能缩短布线长度，并将互连组件彼此靠近，从而最大限度地降低每次操作的能耗并提高工作频率。因此，为了进一步缩短从SPAD到TDC和直方图电路的路径，合理的架构是在SPAD像素内或SPAD阵列外通过列并行逻辑生成直方图。为了克服直方图长度受限的缺点，采用了部分直方图（partial histogramming）统计方法。图3展示了三种主流的部分直方图统计技术。
图3 三种主流的部分直方图统计技术
测距原理
无直方图法
在数据处理阶段省略直方图，可显著降低对传感器芯片存储容量和处理能力的要求。主要处理方式有：基于FPGA的机器学习处理模块（Machine learning processor on FPGA）和差分强度提取模块（Differential intensity extractor）
图4 差分强度提取模块
可变宽度直方图法
在分析dToF测量直方图时，信号峰值的感兴趣区域（ROI）仅覆盖激光脉冲的宽度，通常只有几纳秒。另一方面，为实现合理的满量程范围，直方图的总长度通常远长于ROI。一种是缩小ROI内直方图时间分箱（bin）宽度，这就是部分直方图技术。另一种截然不同的解决方案是采用不等宽直方图，即直方图宽度与该区域内测量的光子率成反比。这种架构的缺点在于，由于光子到达时间的随机性，分箱位置可能无法收敛；此外，在强环境光条件下，其分辨率可能会大幅下降。
图5 部分直方图与可变直方图
总而言之，传统的时间相关单光子计数（TCSPC）技术凭借其鲁棒性和在各种工业应用场景的兼容性，仍然是主流解决方案。它对多峰处理的天然支持，使其适合复杂的测距需求。另一方面，部分直方图法、可变直方图法、无直方图法通过牺牲峰值信息输出能力来节省静态随机存取存储器（SRAM）空间；因此，对于多路径干扰和串扰较少的室内应用而言，这些方法可能更具优势。
环境光抑制
大多数现代dToF激光雷达传感芯片面临的一项主要挑战是环境光子通量具有很大动态范围，随着工作环境的变化，环境光子通量可能发生数量级的变化，最大强度可达100 klux。因此，环境光抑制方法至关重要，常用方法有符合检测方法（Coincidence detection methods）、空间激光图案识别方法（Spatial laser pattern recognition methods）。
激光雷达间干扰抑制
当多个dToF激光雷达在同一场景中工作时，其中一台激光雷达产生的光回波信号可能会被其他激光雷达接收。为保证激光雷达系统的正常运行，必须将这种激光雷达之间的干扰降至最低水平。目前已有多种用于解决激光雷达间干扰的常见的技术，包括脉冲位置调制（PPM）技术和光码分多址（OCDMA）技术等。
直方图校正算法
dToF激光雷达的测距精度取决于多种因素，包括硬件时间戳分辨率、光电探测器响应函数的时间抖动、激光器的固有脉宽与计时不确定性，以及至关重要的——叠加在背景事件之上的信号事件所产生的统计波动。其中常见需要校正或抑制的问题包括光子堆积失真恢复（Pile-up distortion recovery）、后脉冲效应（After-pulsing effect）、串扰（Crosstalk）、恶劣环境条件（Adversary environments）以及可行性及成本考量（Feasibility and cost considerations）。
缓解高光饱和效应
激光雷达SPAD传感器需要克服的一项主要挑战是，当接收到的激光信号强度存在较大空间变化时，仍能提供高保真测距和成像。为最大限度降低高反射率引发的影响，可从硬件和软件两方面采取相应缓解措施。抗反射涂层和光学挡板是光学透镜设计中的常用方法，能够有效抑制杂散光反射；此外，还需要采用光学串扰抑制与校正方法。
面积与功耗优化
降低激光雷达传感器芯片的功耗是激光雷达系统设计中的关键环节。现有降低能耗方案分为三类：（1）改进CMOS技术，降低SPAD和电路的面积及功耗；（2）简化光子检测和计时设计，重点降低数据处理功耗；（3）优化接收端（Rx）数据处理电路，以最低成本满足激光扫描需求。
总结
综上所述，这项研究综述了面向dToF激光雷达的SPAD阵列芯片设计的多个方面，重点关注能够缓解SPAD光子堆积效应（Pile-up Effect）和串扰（Crosstalk）等不利影响的新思路和智能芯片设计架构，同时提高系统在强环境光、高反射率目标检测等具有挑战性的工作条件下的鲁棒性，并确保系统在多种激光雷达干扰环境下仍能正常运行。该研究还探讨了有助于提高系统测量精度的新测距原理，例如粗细时间分箱方案；同时，利用部分直方图统计和符合计时等技术，使系统在高背景光子通量条件下保持卓越的性能。上述方法的混合解决方案有望在成本、功耗和性能之间实现良好的平衡，为兼容固态dToF扫描系统的单芯片接收端解决方案铺平道路。
论文链接：https://doi.org/10.1186/s11671-026-04493-x
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