苹果iPad Pro在用的这项技术，中国团队首次实现全流程突破

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如果你是一位果粉，对于苹果最新 iPad 可能并不陌生。

在苹果官网对 iPad Pro 的介绍中，“激光雷达扫描仪” 是这款平板的卖点之一。

激光雷达扫描仪，可以通过激光雷达技术，测量光线触及物体、和反射回来所需的时间，来确定距离。据了解，NASA 也将在下次火星登陆任务中用到这项技术。

而 iPad Pro 中的激光雷达扫描仪，利用直接飞行时间（dToF，direct Time-of-Flight），可以测量室内或室外环境中、从最远五米处反射回来的光。

这项功能，让 iPad Pro 拥有了增强现实的能力。比如，可以在平板上呈现身体骨骼，从而帮助医生治疗患者。

这项功能还让 iPad Pro 可以下载指定 App，观看火箭升天的 AR 效果。

当然，激光雷达扫描仪的应用，远不止于这些。先来看下什么是 dToF 技术。

dToF 技术，是 ToF（Time of flight，飞行时间）的技术分支。ToF 的技术原理，是通过测量光从发射、到达物体表面再反射回来的总时间，结合已知的 “光速”，计算即可得到被测物的距离。

而 ToF 的 “儿子” dToF，简单来说，就是直接通过时间算距离。搭载 dToF 技术的激光雷达传感器芯片，在航空航天、无人系统和消费电子等方面，有着较大应用。

近日，西安电子科技大学发布的dToF SPAD 激光雷达传感器芯片（Single Photon Avalanche Diode，单光子雪崩二极管），已经实现目前报道中最远的 dToF SPAD 探测距离。

图 | dToF SPAD 激光雷达传感器芯片

据了解，这项成果由该校朱樟明、杨银堂教授做指导，刘马良教授全权负责具体事宜。芯片由西安电子科技大学和宁波芯辉科技有限公司联合研制，其标志着中国在只有本国研发人员参与之下，首次实现 dToF SPAD 激光雷达传感器的全流程突破。

dToF SPAD 激光雷达传感器芯片的尺寸一般是 5mmx5mm 左右。芯片性能上，具有以下三大优势：1、单芯片集成核心感光器件 SPAD 整理及精准测距电路、多种测距精度优化和抗背景光干扰算法等功能；2、具有 32×32×4 分辨率、超 30fps 的刷新率；3、在 200mW 功耗下，可以实现 12-15 米的远距离高精度探测。

图 | SPAD 激光雷达样机

就 dToF SPAD 传感器技术本身来说，它是实现激光雷达小型化、低成本、可量产的核心技术。目前，该团队已经掌握全集成线性模式和单光子模式激光雷达的传感器、混合信号电路、系统架构、定制化工艺等全流程核心关键技术，在 dToF SPAD、Si-PM、高动态 TIA 等方面，处于业界领先位置。

团队还在IEEE TCAS-I、IEEE TCAS-II、IEEE Sensors J、IEEE TI&M等期刊，发表 10 多篇激光雷达传感器论文，是近年来国际上发表激光雷达 IEEE 期刊论文最多的团队。

团队技术负责人刘马良介绍称：“整个 dToF SPAD 激光雷达传感器芯片立足国内自主可控工艺、团队主要成员均由国内的博士和硕士构成，团队从 2014 年就开始专注于芯片化激光雷达技术的研究，现在团队已经掌握整个芯片化激光雷达全流程 核心技术，能够根据系统需求，结合芯片设计，全定制化面阵激光雷达芯片，技术完全不输于国外最先进水平。

2020 年第四季度，该团队还将推出 QVGA（QVGA，Quarter Video Graphics Array，四分之一视频图形阵列）分辨率的 dToF SPAD 激光雷达传感器芯片。未来将向市场提供包括传感器芯片、激光器驱动芯片、自动化标定系统及三维图像算法的一站式解决方案。”

刘马良告诉 DeepTech，该项目于 2017 年立项，从最初研制 SPAD 单像素，到 2020 年完成面阵化集成、相应算法及软件开发，耗时三年时间。

具体研发上，共计有 10 几人，分别负责模拟混合芯片设计、光电探测器仿真、系统开发、应用软件开发等板块。

谈及研发该芯片的初衷，刘马良表示：“过去面阵 SPAD 激光雷达芯片，一直面临着国外技术垄断，几年前国内的状态，基本是分立 SPAD 光电感测器件和单个集成电路都有研究，但是 CMOS 面阵化激光雷达处于空白，虽然有回国人员做这件事情，但是当前形势下很难达到自主可控的目的。”

三年之后，这种局面终于得以缓解。而前文的宁波芯辉科技有限公司，主要包含刘马良、朱樟明等 4 位联合创始人，刘马良介绍称，芯片产品很快会以公司的名义发布和销售。

对于本次成果的意义，他表示，这代表着中国已经实现 SPAD 激光雷达从光电感测器件、芯片、系统、算法、软件的全方位突破，并已掌握相应的关键核心技术，这将为 VGA（VGA，Video Graphics Array，视频图形阵列）级别大面阵激光雷达的研制奠定基础，是国内自主创芯成果之一。

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