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ITOF工作原理：indirect time of flight，是間接測量時間的一種方法，大部分的間接測量方案都是采用了測相位偏移的方法，即發射波與接收波之間的相位差，也有通過測量其他物理量來間接測量時間，進而計算出探測物體的距離，例如FMCW。

DTOF工作原理：direct time of flight,直接測量飛行時間。通過ps級分辨率的測量系統（多采用SPAD+TDC），直接獲得發射與對應的接收端觸發的時間差，即為飛行時間t，從而計算探測物體的距離。

背景光通常指太陽光。

干擾光：太陽光以外的光都叫干擾光，如同類設備之間的干擾。

要做到抗背景光或者干擾光，就需要對信號選擇性的接收，也就是說要對信號進行識別，飛芯目前A系列產品利用CDMA原理，加入偽隨機碼達到信號識別的目的，B系列產品采用FMCW技術，利用光的相干性進行信號的識別。

CCD與CMOS都是圖像傳感器，目的都是要拍照。兩種圖像傳感器的原理都是需要將光子轉換成電子，也就是所說的光電轉換，轉換成的電子被傳輸或者轉移到輸出端口，最終再轉成電壓信號。二者的區別在于電子傳輸或者轉移的方式不同，CCD是把光子轉換成電子包，然后從一個像素推到下一個像素，而CMOS傳感器是直接將每個像素轉換的電子存在本地電容，沒有轉移的過程。大部分代工廠是用CMOS。

global shutter：通過整幅場景在同一時間曝光實現的，Sensor所有像素點同時收集光線，同時曝光。

rolling shutter：它是通過Sensor逐行曝光的方式實現的。

Global Shutter跟 Rolling Shutter 相比，主要是Global Shutter在每一個像素上都增加了一個存儲單元，才使得所有的像素能夠同時曝光。

讀出的時候，先行選，再傳輸到列總線，再用列總線AD進行轉換。即行選列讀出。

像素單元通常被視為圖像的最小的完整采樣單元，陣列是指多個像素按照矩陣排列。

TDC，time digtal converter，時間數字轉換電路，通過與發射端的時間同步，接收到的光信號產生電流觸發TDC并被記錄，由此獲得發射器發射出的光子與傳感器接收到光子之間的時間間隔。 把時間轉換為數字量。

DTOF芯片設計中需要把回波時刻轉換為數字量，放在存儲單元里記錄下來。

雷達意思為‘發射波探測和測距’，即用發射波的方法發現目標并確定它們的空間位置。雷達可以是任意一種波，既有超聲波也有電磁波。我們說話用聲波，在海底用做雷達叫做聲吶；用在車上叫做超聲波。

雷達的工作原理為：測量發射波往返雷達和探測物之間的時間。

雷達的分類有：超聲波雷達；聲波雷達；毫米波雷達；激光雷達；微波雷達等。

激光雷達與毫米波雷達異同：激光雷達用的是光波，毫米波雷達用的是電磁波。光波與電磁波速度一樣，即每秒30萬公里，但是毫米波波長要比激光波長長，因此毫米波穿透力更強。如空氣中有Ph2.5，說明空氣中有大量的2.5微米直徑的顆粒，如果波長長的話一個點射就過去了，光波就會發生散射，穿不過去，所以無線電通信都是用毫米波或微波。

波長長的優勢具有穿透力，缺點則是不能成像。光波波長短，空間分辨率高，能看到細節，所以能成像；如果用電磁波，只能判斷前方有物體，但是分辨不了具體形態，假定能成像的話，顯而易見就能分辨出是人或物體。所以用不同波長做雷達具有各自的優缺點與差異，未來在車上既可能用到毫米波雷達，又要用到激光雷達還要用到攝像頭，每個傳感器都有自己的優缺點，沒有誰可以替代誰。

兩者發的信息不一樣：雷達發的是已知信息，自發自收，收到的東西都是有預期的，只是不能確定從哪個方向，哪個時刻回來而已，這叫已知信源；

通信中接收方在收到信息之前是不知道對方發的什么，這叫未知信源。

從系統角度，兩者又很接近，都有發射、接收端。

作為雷達而言，我們希望直接發射出去的光能直接反射回來，但實際的情況是，有可能我發射出去的光沒有直接發射到既定物體上，而是發射到其他物體上后反射到既定物體上后回到我們這里，產生這種失真的原因之一就是多路徑效應。

多路徑會對測距造成影響，由于它是兩個或多個路徑回來的綜合加權平均，一定會比直接回來的路徑平均下來遠。

噪聲是時間上和空間上偏離有效信號以外的東西，都可以叫噪聲。

噪聲就是在收取信號過程中所有基于非理想因素帶來的空間上和時間上偏離信號以外的東西。由非理想因素帶來的，不想要的東西。

噪聲和信號是一對反義詞。噪聲強會降低對信號的準確判斷。

光電探測器主要有APD，SPAD，SiPM，Pinned，PIN，PN，CCD，EMCCD，CAPD，Plasmons

ITOF主要用的是Pinned，無增益，（噪聲源主要在二極管以前）。

DTOF主要用SPAD，有無限增益，（噪聲源在二極管以后）。

能量守恒：反射光能量+透射光能量=入射光能量   

增透膜的作用使得光學元器件表面反射光與入射光的能量重新分配，減少反射光能量，增加透射光能量——主要用在接收端的鏡頭

濾光片：透過限定波長范圍以內感興趣的光，排除其他。主要用在接收端，二極管前面。

激光雷達用905nm, 940nm波長。濾光片的中心波長設置為905nm，或者940nm, ±30nm。激光光源的正負偏差主要跟激光發射的溫度有關，并且成像系統照在中間和邊緣的位置光成差是不一樣的。

二者都是用在發射端的光學器件。

衍射光學元件（Diffractive Optical Element，DOE），是一種新興的光學元器件，通常采用微納刻蝕工藝構成二位分布的衍射單元，將輸入的激光束控制為各種輸出輪廓和形狀。激光經過每個衍射單元后發生衍射，并在一定距離處產生干涉，形成特定的強光分布。（衍射之后的干涉形成特定的圖像）。DOE主要應用于結構光算法，在需要的FOV里產生點光源。

Diffuser, 一切勻光效果的光學元器件。讓光斑均勻的散開，形成一個勻光效果。

TOF里面的Diffuser就是一個勻光效果，把VCSEL發出的光變成一個特定FOV的均勻面光源。

光的干涉：一束光經過不同的路徑到達同一位置，可能由于光程的問題波峰和波峰碰到一起，波谷和波谷碰到一起，這樣就會疊加，從而增強；如果一個波峰和一個波谷碰到一起，就正好抵消，這樣就會形成條紋。

光的衍射：光的前方有顆粒物遮擋，由于它的尺度遠小于光波長的尺度，光就可以繞過去。如果光要穿過一個小孔，孔要是小的話，光穿過這個小孔就不是沿直線傳播，而是沿一個衍射面來傳播。由于顆粒和孔比光波長小，光繞過顆粒或穿過孔時光的路徑會發生改變。

二者差異：干涉是波峰或波谷碰到一起就疊加，會變強；如果一個波的波峰碰到另一個波的波谷就會抵消，會變弱。衍射是當光要過尺寸比它小的顆粒或孔時，光的傳播路徑會發生變化，就不會沿著直線走。

【光的干涉，兩列或幾列光波在空間相遇時相互疊加，在某些區域始終加強，在另一些區域則始終削弱，形成穩定的強弱分布的現象。百度百科】

【光的衍射，光在傳播過程中，遇到障礙物或小孔時，光將偏離直線傳播的路徑而繞到障礙物后面傳播的現象，叫光的衍射（Diffraction of light），百度百科】

光的干涉和衍射都證實了光具有波動性。

激光雷達里，干涉與衍射的一些具體應用。

DOE就是激光經過衍射單元后發生衍射，然后產生干涉，形成特定的強光分布。

增透膜和相干探測都用到了干涉。

相控陣雷達，即相位控制電子掃描陣列雷達，由大量相同的輻射單元組成的雷達陣列，每個輻射單元在相位和幅度上獨立受波控和移相器控制，能得到精確可預測的輻射方向圖和波束指向。（通過改變子單元相位調整發射和接收方向）

優點：

1）無需機械裝置，波束指向靈活，能實現無慣性快速掃描，數據率高；

2）一個雷達可同時形成多個獨立波束，分別實現搜索、識別、跟蹤、探測等多種功能；

3）目標容量大，可在空域內同時監視、跟蹤數百個目標；

4）抗干擾性能好。

DTOF的噪聲來源于TDC電路，引起TDC電路噪聲的主要有兩點：

1. 時鐘精度（即由于時鐘抖動引起的時鐘本身存在的噪聲）；

2. 采樣噪聲（直方圖存在時鐘寬度，信號落在這個檔位中的前中后具有隨機性，但是計數時按照該檔位中間值計數，從而形成的噪聲）。

ITOF的噪聲是由于收進來的光子有噪聲（散彈噪聲），光子轉化的電子就會存在噪聲，那么計算的相位差就會有噪聲，測距就會存在噪聲

每次收入的背景光或信號光存在起伏，即收入的光子數具有隨機性，例如收入10000個光子數，代表平均收入數量（準度），但是實際收入光子數每次存在差異，存在的這個起伏差異就是所謂的散彈噪聲。如果光子數為N，則散彈噪聲為√N。

灰度圖也可以叫做強度圖，提供了強度信息，也可以理解為提供了大小的信息，這個大小可以是距離的大小（遠近）、能量的大小等等，任何存在大小概念的物理量都可以提供該物理量的灰度圖。

彩色圖則是在強度信息、空間位置信息的基礎上另外提供了波長信息（RGB信息）。

1）ROM：只讀存儲器（read only access），只能讀出不能寫，ROM所存數據穩定，斷電后所存數據也不會改變。也叫閃存FLASH。

2）RAM: 隨機存取存儲器（random access memory，RAM）又稱作“隨機存儲器”，是與CPU直接交換數據的內部存儲器，也叫主存(內存)。它可以隨時讀寫，且速度很快。

RAM可以分為SRAM（靜態隨機存儲器）和DRAM（動態隨機存儲器），

SRAM是一種具有靜止存取功能的內存，不需要刷新電路即能保存它內部存儲的數據。

DRAM是最為常見的系統內存，DRAM使用電容存儲，需要不斷刷新電路才能保存數據。

SDRAM（同步動態隨機存取存儲器），為DRAM的一種，同步是指Memory工作需要同步時鐘，內部命令的發送與數據的傳輸都以時鐘為基準。

DDR-SDRAM是在SDRAM的基礎上發展而來，不同之處在于它可以在一個時鐘讀寫兩次數據，這樣就使得數據傳輸速度加倍，是目前電腦中用得最多的內存。

3）激光雷達電路里，如模組標定存儲參數，開機需要運行的程序，都是存在ROM里的。開機后不斷運算的畫面數據需要存在RAM里，通常是DDR-SDRAM里。

無源淬火電路：SPAD雪崩之后的電壓特別高，需要一個淬火電路瞬間將這個很高的電壓降下來。

擊穿電壓：就是引起雪崩的電壓。

過壓：工作電壓與擊穿電壓的之間的差值叫過壓。

Deadtime：SPAD無法工作的那段時間，雪崩到恢復的那段時間，即使來了光子SAPD也無法工作。 Quenching+復位=deadtime。

復位時間：Quenching (淬火)之后進行復位，把電壓拉回至正常工作電壓的那段時間。

暗計數，暗電流觸發雪崩產生的暗計數，一般當做系統噪聲進行處理，消除暗計數有助于信號的準確測量。

光串擾：雪崩的時候產生大量電子，可能會有少量電子轉化為光子，這些光子有可能會觸發鄰近像素的SPAD發生雪崩，對先前的雪崩產生干擾，叫光串擾。（就是雪崩產生的二次光子串擾）。

像素的滿阱電容是指通過光電二極管收集并轉移至浮空節點的最大可用廣生電荷數。通俗說就是光入射到光電二極管之后，進行光電轉換將光子轉換為電子，電子被電容收集后轉換為電壓信號被讀出。電容所能容納的電荷量稱之為阱容量，當電子達到最大阱容量就稱之為滿阱。低的滿阱容量會降低像素的動態范圍、信噪比及靈敏度。

QE，量子效率，指某一特定波長下單位時間內產生的平均光電子數與入射光子數的比值，是描述光電轉換能力的參數。由于反射等原因，QE值均小于1. 

PDE（Photon Detection Efficiency），光子探測效率，可以簡單理解為觸發雪崩的子數和所有光子數的比值。

ITOF用QE，DTOF用PDE來進行效率描述，因為兩者像素工作原理的差異，前者是積分，后者是觸發。

相關雙采樣（Correlated Double Sampling, CDS），是根據圖像傳感器輸出信號和噪聲信號的特點而設計，由于圖像傳感器中每個像元的輸出信號中既包含有光敏信號，也包含有復位脈沖電壓信號，若在光電信號的積分開始時刻和積分結束時刻，分別采樣輸出信號的兩個電平，即一次對復位電平進行采樣，另一次對信號電平進行采樣，將兩次采樣值相減，即可得到信號電平的實際有效幅值。通俗理解就是需要進行兩次采樣，第一次把KTC噪聲采樣出來，第二次把噪聲+信號采樣出來，最后相減就能消掉KTC噪聲。

優點：CDS可以消除KTC噪聲（電容器上的熱噪聲），可以顯著改善信噪比，提高信號檢測精度。

VCSEL陣列可通過采用共陰極或共陽極設計，將發光區域進行分區，采用類似在圖書館書架選書一樣，通過驅動信號選擇控制不同區域，實現分區點亮。

可尋址VCSEL陣列具有以下優點：（1）有效控制出光區域，可提升峰值功率；（2）通過合適的系統設計，可實現系統級抗干擾能力；（3）具有更好的發光效率，可節約系統功耗；（4）散熱性能更好。

indirect time of flight，是間接測量時間的一種方法，大部分的間接測量方案都是采用了測相位偏移的方法，即發射波與接收波之間的相位差，也有通過測量其他物理量來間接測量時間，進而計算出探測物體的距離，例如FMCW。

按照調制載體分為載波調制、調制波調制。

載波調制，分為AM調幅、FM調頻、PM調相位以及PolM調偏振，其中我們熟知的FMCW就是載波調制中的FM調頻技術。

調制波調制，分為AM調幅、FM調頻。

DTOF：直接測量飛行時間，通過直接獲得發射和對應接收端出發的時間差來獲得飛行時間t從而計算出探測物體的距離。

電路構成：SPAD陣列、TDC電路、直方圖統計電路、算法電路、讀出電路。

實現過程：SPAD陣列感光，探測到回波產生脈沖，同時TDC工作記錄脈沖時間，這是一次脈沖的轉換過程。此探測過程重復多次，通過直方圖統計電路記錄多次探測的脈沖時刻，最后通過算法電路計算出實際的距離，最后讀出電路讀出數據。

1）相干：描述波在傳播時，其物理量在不同地點或不同時間的相關特性。這里的相關特性是由于波相位的變化而產生的。

2）直接探測：就是DTOF，直接探測時間、光速，進而得到距離信息。

3）相干探測：一束光分為兩束，一束本地光，另一束去探測目標物，探測的回波與本地光相干，得到頻率差，進而測算目標物的距離。（本地光的頻率隨時間在變，然后光跑出去再回來，和本地光頻率已經不一樣了，然后兩束光相干，檢測他們的頻率差得到距離。）

4）載波：指被調制以傳輸信號的波形，一般為正弦波。就是用來加載有用信息的高頻波，（因為有用信息一般都是低頻信號，需要用一個高頻或者振幅更大的波（載波）作為載體傳播出去）

調制波是把低頻信號疊加在高頻信號的載波上（一般要經過頻譜搬移以及幅值變換），是用調制信號調制以后的非正弦波。

5）相位：對于一個波，特定的時刻在它循環中的位置，一種它是否在波峰、波谷或者它們之間的某點的標度。相位描述信號波形變化的度量，通常以度為單位。

相位代表延時。載波，調制波均有相位。

6）相控陣：即相位補償(或延時補償)基陣，它既可用以接收，也可用以發射。其工作原理是對按一定規律排列的基陣陣元的信號均加以適當的移相(或延時)以獲得陣波束的偏轉，在不同方位上同時進行相位(或延時)補償,即可獲得多波束。

7）OPA：光波相控陣形成OPA。

激光雷達測距不準主要分外界、內部兩個方面的原因。

外界原因：1、背景光（強烈的陽光直射會影響激光雷達的探測效果）；2、多路徑效應會導致探測距離比原本距離遠。

傳感器內三個原因：1、噪聲（影響探測精度）；2、ADC非線性；3、串擾（影響空間分辨率）。

多路徑問題：在雷達探測時我們希望發出去的光直接到達被探測物體上再發射回來，但在實際過程中，發出去的光可能會發到其它不是被測物體上后發射到被測物體再回來，產生的此類失真現象就是多路徑問題。

ITOF中，多路徑問題會影響下一次的積分電荷，多路徑的光回來得晚，會被當做下一次的回波信號進行積分，從而影響實際的測距精度。

DTOF中，多路徑問題會影響直方圖統計，直方圖產生多個峰值，不好判斷哪個峰值是真正的距離。

外部環境因素：背景光、干擾光

內部二極管因素：PDE、Jitter、dead time、時鐘精度、檔位寬度

電路端因素：噪聲

內部二極管因素：QE、串擾、調制對比度

ISP：Image Signal Processor，圖像信號處理器（影像處理器），成像的整個環節中它負責接收sensor的原始信號數據，可以理解為對圖像質量的第一步處理。

包含多個圖像算法處理模塊：扣暗電流（去掉底電流噪聲）；線性化（解決數據非線性問題）；Shading（解決鏡頭帶來的亮度衰減及顏色變化）；去壞點（去掉sensor的壞點數據）；去噪（去除噪聲）；demosaic去馬賽克（raw數據轉RGB數據）；3A（自動對焦，自動白平衡，自動曝光）；gamma（優化局部與整體對比度）；銳化（調整銳度）；色彩空間轉換（轉換到不同色彩空間進行處理）；顏色增強等。

子像素指一個像素單元中設置兩個光電轉化PD，并在不同的PD設置傳輸柵，后續的數據處理電路可以至少部分共用的方案。對于測距系統的探測中，需要獲得四相位的延時信息，從而利用間接飛行時間的相位差方法獲得發射光與返回光的相位差信息，從而獲得探測的距離信息，通過子像素的設計，實現了在像素級一次性獲得四相位延時信號的結果，如此還能實現像素級測量對象準確并且獲得最終距離信息高效的效果。

芯片內的器件主要有：光電二極管+MOS管+電阻+電容+BJT（三極管）。

快門（shutter）：是攝像器材中用來控制光線照射感光元件時間的裝置，即照相機用來控制感光片有效曝光時間的機構。

按照快門的構造可分為機械快門，和電子快門。

飛芯產品使用的電子快門，利用給傳感器通電斷電來控制曝光時間。

問題分析：

1.Flash面發射體制決定需要大視場角焦平面陣列形式接收（如圖1所示），因此增大了視場角內的背景光與干擾光接收概率與能量，使得傳感器積分過程獲得的總信號量中無效信號占據極高比例，降低了有效回波能量的SNR（如圖2所示）；

2.長程測距具有較高的距離檢測范圍，因此對應的本征探測光能量動態范圍將不小于80dB，因此常規積分型接收陣列像素單元的動態范圍無法適用于該應用。

圖1 Flash方式工作時的環境光路狀態，大視場角提高了“非我”信號的接收概率

圖2 光電積分過程引入的“非我”共模信號和后級電路噪聲降低了有效回波信號的讀出SNR，準確測距信號量難以獲得

圖3 積分電容的阱容（動態范圍）限制導致短曝光無法讀出弱信號（遠距離）、長曝光無法響應強信號（近距離）

飛芯采用兩代技術路徑解決上述問題：

第一代偽隨機碼序列方案：如圖4所示：

       針對背景光與串擾光的解決方法：通過像素級卷積技術，將“非我”信號通過像素電荷域的處理進行消除（如圖4），僅將有效“自我”信號進行積分并輸出，實現在不提高發射功率的情況下提升接收SNR，實現遠距離低能量回波信號的有效接收處理；

       針對長程測距的動態范圍拓展方法：如圖5所示，采用像素級折疊積分技術，擴展了像素的本征動態范圍，像素ADC+列級ADC總位數高于18bit，提高了光強接收上限飽和點。

圖5 像素級折疊積分擴展動態范圍技術

1) 響應器件：CIS采用pinned型積分光電器件配合4T晶體管實現像素，像素輸出積分后的模擬電壓；而DTOF一般采用SPAD+淬滅電路實現像元，脈沖觸發器件雪崩形成脈沖信號；兩種響應器件指標體系不同，CISpixel關注靜態指標體系，如QE、DC、FWC，而SPAD存在靜態與動態指標為PDP、DCR、jitter。

2) 讀出形式：CIS一般采用rolling/global shutter形式，采用行選通列讀出，而DTOF pixel需要與TDC電路建立復用，實現地址鎖存及TCSPC方式讀出信號。

3) 數據通道帶寬：CIS在億級像素以下時采用D-PHY MIPI即可完成數據輸出；ITOF與CIS同樣分辨率、同樣ADC位數、同樣幀頻條件下將會多出至少4倍以上數據量，DTOF數據量提升更高，因此TOF芯片在設計時還要重點關注分辨率提升后的片內信號處理技術、高帶寬輸出技術的配合。

1.近紅外量子效率提升；

2.體區隔離串擾抑制；

3.體區縱向電場與轉移橫向電場優化；

4.讀出電路環路的共模噪聲消除及非線性響應引發測距本征精度誤差的抑制技術；

5.背景光與干擾光的抑制技術；

6.隨測距距離增大導致的光接收動態范圍擴展問題；

7.ITOF的積分工作原理決定了存在近場測距時的多路徑干擾問題等；

8.DTOF技術方案中TDC復用技術及片上處理技術與讀出帶寬匹配問題。