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關(guān)于硅光電倍增管，也就是SiPM，為了更好地體現(xiàn)其基本形態(tài)和功能，濱松很早以前將其命名為Multi-Pixel Photon Counter（多通道光子計(jì)數(shù)器），即MPPC。所以，其實(shí)市面上所說(shuō)的MPPC和SiPM是一種器件。同樣，Single Photon Avalanche Diode（SPAD）在濱松的命名為SPPC。
MPPC（硅光電倍增管，SiPM）作為新一代的半導(dǎo)體光電器件，因?yàn)槠涓咴鲆娴忍匦裕谠S多應(yīng)用中都獲得了極高的期待，LiDAR也是其中一。在LiDAR的應(yīng)用中，PDE（Photo Detection Efficiency，即光子探測(cè)效率），一直以來(lái)是MPPC被比較突出看中的一個(gè)特性。的確，這至關(guān)重要，且是越高越好，不過(guò)有一個(gè)問(wèn)題是我們需要充分認(rèn)識(shí)到的，那就是PDE的提升，需要建立在器件"延時(shí)脈沖"問(wèn)題的解決上，以此MPPC才能在LiDAR應(yīng)用中真正地發(fā)揮出更好的作用。
一，LiDAR應(yīng)用中使用MPPC/SiPM需要注意的問(wèn)題
MPPC由于其10五次方~10六次方的內(nèi)部增益而受到關(guān)注，在電信號(hào)信噪比的計(jì)算中，我們可以看出器件的增益對(duì)于整體電學(xué)信噪比的提升作用，如APD的SNR計(jì)算公式：
如果將增益M放在后面的熱噪聲中，可以發(fā)現(xiàn)，增益對(duì)于信噪比的貢獻(xiàn)，在于降低了后端電路的探測(cè)下限。MPPC也是一樣，而且其增益更高。不過(guò)隨著增益的提升，背景光噪聲的影響變得非常重要，很可能在強(qiáng)背景光中使器件直接飽和而失去對(duì)下一次接收信號(hào)的響應(yīng)。通過(guò)下面這個(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，可以更直觀的看到這個(gè)問(wèn)題：
我們使用相同接收光路（入射孔徑、濾波片可切換）和相同面積的三種器件作為接收端模擬200m距離時(shí)的情況，其中入射孔徑（Aperture）使用2mm的光闌，在100lux時(shí)的信號(hào)如下：
如果將背景光提升為100Klux，連續(xù)白噪聲將會(huì)淹沒此時(shí)未經(jīng)信號(hào)處理的APD探測(cè)器，而MPPC仍然可以分辨出此時(shí)的信號(hào)。如下圖：
但如果將光闌孔徑提升至8mm或更大，APD的信號(hào)會(huì)再次出現(xiàn)，MPPC噪聲急劇增加，而SPPC完全飽和抑制。因此，在增益型器件中，增益越大對(duì)于后端噪聲的反向抑制能力越強(qiáng)，而抗光噪聲的能力卻越弱。
對(duì)于MPPC來(lái)說(shuō)，如何設(shè)計(jì)接收角度，是它在LiDAR應(yīng)用中至關(guān)重要的一點(diǎn)。要么使用小入射光孔徑和使用窄帶濾光片，要么增加探測(cè)器通道數(shù)進(jìn)行角度分割。如此才能更好的提取信號(hào)，利用好其高增益的特點(diǎn)。
MPPC的高增益有助于消除后期的電噪聲，但是帶來(lái)的了光噪聲的劣勢(shì)。要想用好MPPC，只能減少光噪聲。而通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的處理或MPPC陣列的角度分割，將視場(chǎng)角縮小，則可以達(dá)到效果。
二，關(guān)于延時(shí)脈沖
雖然PDE的高低是衡量MPPC探測(cè)效率的關(guān)鍵參數(shù)，但在激光雷達(dá)中，還有一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)---串?dāng)_Crosstalk。
根據(jù)以上表格可以看出，瞬時(shí)性串?dāng)_的主要來(lái)源是光，包括通道間直接光子串?dāng)_和器件表面反射光子串?dāng)_。在使用單光子源測(cè)試時(shí)出現(xiàn)的光串?dāng)_脈沖波形如下：
延時(shí)性脈沖的來(lái)源則為電子串?dāng)_，包含后脈沖和延時(shí)串?dāng)_脈沖兩種。同一像素中，電子延時(shí)釋放形成后脈沖，而電子擴(kuò)散到相鄰像素會(huì)產(chǎn)生延時(shí)串?dāng)_脈沖。
在單光子信號(hào)入射的情況下，恢復(fù)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的后脈沖幅值小于信號(hào)脈沖，而恢復(fù)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的延時(shí)串?dāng)_脈沖則維持相同的幅度。請(qǐng)注意，如果在恢復(fù)時(shí)間之外，這兩種原因產(chǎn)生的延遲性串?dāng)_不可區(qū)分。濱松將這兩種串?dāng)_信號(hào)統(tǒng)稱為Delayed pulse（延時(shí)脈沖）。
在實(shí)際LiDAR的應(yīng)用中，當(dāng)有強(qiáng)光返回時(shí)，會(huì)有很高概率產(chǎn)生20us以上的拖尾，影響下一次脈沖的接收。強(qiáng)光入射后產(chǎn)生的長(zhǎng)時(shí)間拖尾為Delayed pulse（延時(shí)脈沖）造成，這一階段，MPPC中不斷有電子串到相鄰的多個(gè)像素且有概率產(chǎn)生后脈沖，從而影響下一次脈沖的探測(cè)。由于該信號(hào)是器件本身產(chǎn)生的多個(gè)信號(hào)的疊加，外部電路也無(wú)法消除其影響，只能從器件的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)出發(fā)進(jìn)行根本性的改進(jìn)。
三，濱松對(duì)MPPC/SiPM延時(shí)脈沖問(wèn)題的改進(jìn)
通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的努力，濱松新型的MPPC產(chǎn)品已極大程度上解決了此問(wèn)題，其延時(shí)脈沖概率會(huì)從S13720系列的38%降低到1%。濱松也已經(jīng)在短時(shí)間內(nèi)，將MPPC的PDE水平大幅提升，以更好的滿足應(yīng)用的需求。
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