一种资源高效的自适应光电二极管（SPAD）激光雷达读出集成电路（ROIC），采用迭代候选直方图分箱技术

《IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers》：A Resource-Efficient SPAD LiDAR ROIC With Iterative Candidate Histogram Binning

单光子雪崩二极管（SPAD）阵列ROIC设计在180nm CMOS工艺中实现，采用同步采样迭代的候选直方图电路降低内存需求至90bits/像素，结合极值跟踪电路增强噪声抑制，通过多相位同步采样与差分拟合算法实现亚纳米级精度，宏像素重构支持160×120/40×40/20×20多分辨率模式，核心功耗14.36mW。SPAD基LiDAR原型机集成320×240阵列，实验表明在30米检测距离内可实现1.8cm精度和90%以上测量成功率。

　　

摘要：

我们采用180纳米CMOS技术实现了一种针对单光子雪崩二极管（SPAD）阵列优化的资源高效读出集成电路（ROIC），以实现高精度的深度感知。该电路采用基于同步采样的迭代候选直方图算法，通过利用光子触发相关性分析显著降低内存消耗，每像素仅需90比特内存。此外，还引入了极值跟踪机制，通过识别每次曝光周期内光子计数最多的触发时间戳来增强迭代候选直方图的噪声抑制能力。为达到亚纳秒级的测量精度，采用了多相同步采样电路并结合差分拟合算法。宏像素重建电路使得系统具备自适应成像能力，支持以下分辨率配置：160×120、40×40以及20×20。该ROIC的核心功耗为14.36毫瓦。为了评估其测距性能，我们开发了一个基于SPAD的LiDAR原型，该原型采用了320×240的SPAD阵列。实验结果表明，在30米的检测范围内，该ROIC在30千勒克斯的背景光照条件下能够实现1.8厘米的测距精度，并且测量成功率超过90%。