从真实案例出发：三谈SPAD-SoC——内部结构、工作流程和输出模式

之前笔者讨论过SPAD-SoC的相关产品：雪岭 · 激光雷达未来『最核心』器件——SPAD-SoC，以及雪岭 · 再谈SPAD-SoC——数字激光雷达的核心。

不过，前面两次讨论更多是停留在理论层面，本次我们结合已规模量产的SPAD-SoC真实案例和产品手册，探讨一下SPAD-SoC实际产品的内部构造、工作流程、关键指标和输出模式。

读100本理论，不如做1次实践。

01、基本结构

1. 基础架构

SPAD-SoC采用"感算一体"的架构设计，将单光子雪崩二极管（SPAD）阵列与完整的数字信号处理系统集成在同一芯片上。

SPAD-SoC可以同时完成光子检测、时间测量、信号处理和数据输出等全流程，可实现从光子入射到深度/图像数据的直接输出。

与传统的分立方案相比，SPAD-SoC具有集成度高、功耗低、体积小、响应速度快等优势，是目前高线束长距激光雷达和Flash短距激光雷达的核心部件，对激光雷达性能的影响最大，因此成为激光雷达厂商竞相争取的技术高地。

如下是Sony IMX459的芯片架构示意图：

如下是一款线阵SPAD-SoC实物照片，用于高线束长距激光雷达。

2. 内部结构

一个典型的SPAD-SoC芯片内部结构如下：

注意：由于各厂家设计理念有一定区别，实际SPAD-SoC产品的结构可能和上图有一定差异，具体请参考实际产品Datasheet。

SPAD-SoC内部主要包括3部分：

Part1：光子检测与时间测量。包括SPAD阵列单光子探测、淬灭电路和TDC时间测量。

Part2：信号处理。包括直方图生成、数字信号处理。其中，数字信号处理分为FIR、回波检测、FWHM、深度计算等环节。有些SPAD-SoC增加了“点云处理”模块，进一步提升SPAD-SoC的集成度。

Part3：系统控制与数据输出。通过I2C/SPI接口接收主处理器指令，完成芯片参数配置、激光发射与接收的同步工作。其他还包括电源管理、PLL、温度传感器和安全监控等模块。

3. 工作流程

SPAD-SoC基本的工作流程如下：

图片来源：Sony

其中，SPAD 阵列在盖革模式下接收回波光子并触发雪崩效应，经淬灭 / 复位电路完成单次探测循环后，多个 SPAD 组成宏像素进行信号合并。

之后，通过采样，将光子到达时间转换为数字量，生成 "时间 - 光子计数" 直方图。

最后，经 FIR 滤波降噪、多回波峰值检测和距离解算，最终通过输出接口将点云数据传输至外部处理器。

02、光子检测与时间测量

1. SPAD像素阵列

SPAD（Single-Photon Avalanche Diode）是SPAD-SoC的核心感光元件。每个SPAD工作在盖革模式（Geiger Mode），当单个光子入射时，会触发雪崩击穿，产生可被检测的电流脉冲。

成千上万个SPAD像素按二维网格排列，形成SPAD-SoC的感光核心。

SPAD像素的关键特性有：

像素尺寸：决定空间分辨率和填充因子，目前市场产品普遍为10μm×10μm左右。

像素规模：从数万到数十万不等，面阵SPAD-SoC常见配置有768×576、576×432等，线阵SPAD-SoC中，IMX459是189×600，IMX479是105×1560。

光子探测效率（PDE，Photon Detection Efficiency）：衡量SPAD灵敏度的核心指标，指SPAD检测到入射光子的概率。先进的SPAD-SoC在905nm或940nm波长下PDE可达25%以上，速腾最新发布的自研SPAD-SoC的PDE超过45%。

死时间（DT，Dead Time）：SPAD检测到一个光子后恢复到可检测下一个光子状态所需的时间。该指标影响最大计数率，目前通常在7ns~22ns之间。

暗计数率（DCR，Dark Count Rate）：在没有入射光的情况下，SPAD自发产生雪崩脉冲的概率。DCR是主要的噪声来源之一，目前典型值约300cps至数百万cps。

后脉冲概率（APP，After Pulse Probability）：SPAD雪崩结束后，由于陷阱中载流子的释放而产生虚假脉冲的概率，通常在2%~5%之间。

输出抖动（Jitter）：SPAD响应时间的不确定性，影响时间测量精度，约200ps级别。

串扰（CT，Cross Talk）：一个SPAD的雪崩脉冲引起相邻SPAD产生虚假脉冲的概率，通常在1%~5%之间。串扰是激光雷达非常常见的问题，串扰抑制是SPAD-SoC芯片设计的重要考量因素。

2. 淬灭电路（Quench Circuit）

淬灭电路是SPAD工作的关键配套电路，主要功能是：1）主动/被动淬灭：快速降低SPAD偏置电压，终止雪崩过程；2）复位控制：在死时间结束后，恢复SPAD至待探测状态；3）脉冲整形：将雪崩电流转换为标准数字脉冲，供TDC测量。

被动淬灭架构结构简单、功耗低，通过串联电阻实现自淬灭；主动淬灭响应更快，死时间更短，但电路复杂度和功耗更高。

3. 时间数字转换器（TDC）阵列

紧接在SPAD阵列之后，每个SPAD像素对应一个或共享一个TDC。TDC的核心功能是精确测量激光发射时刻到光子返回时刻的时间间隔（飞行时间ToF）。

TDC通常采用延迟线型或游标型架构，通过测量信号在延迟链中的传播位置来实现时间数字化。

TDC的关键指标是时间分辨率，每1ns时间分辨率对应约15cm的距离分辨率，先进的SPAD-SoC中的TDC时间分辨率可达皮秒级别。

还有另外2个指标：

时间窗口：TDC能够测量的最大时间间隔，决定了系统的最大测距距离，常见配置为672~2048个Bin；

计数深度：每个Bin在每个时间段能够统计的最大光子数，也称为计数器位宽，通常为10bit，该指标决定动态范围。

03、信号处理

1. 直方图生成

直方图生成模块是dToF信号处理中的关键环节。

由于单次光子检测会受到暗计数噪声、背景光噪声和散粒噪声的严重干扰，无法直接用于测距。因此，通常使用直方图，通过统计方法提取有效信号。

直方图生成模块会统计成百上千次激光脉冲周期的TDC时间戳数据，统计每个时间点的光子计数，生成"时间-光子计数"直方图。同时，它还会统计背景噪声的分布特性，为后续的滤波和信号提取提供依据。

直方图生成的工作流程：

累积阶段：在数百至数千次激光脉冲周期内，将TDC输出的时间戳按Bin分类计数；

直方图生成：形成"时间-光子计数"二维统计分布；

噪声统计：同步统计背景噪声的分布特性，为后续滤波提供依据；

直方图的峰值位置对应目标距离，峰值宽度反映信号质量，背景计数水平反映环境光强度。

2. FIR滤波器

FIR（Finite Impulse Response）滤波器是数字信号处理中最基础、应用最广泛的线性滤波器之一。它的核心特点是，单位冲激响应仅在有限个时间点上非零，输出仅由当前和过去的输入信号加权求和得到，没有反馈回路。

在 SPAD-SoC中，FIR 滤波器是片上信号处理流水线的核心模块，专门用于对原始 "时间 - 光子计数" 直方图进行平滑去噪，是提升信噪比、保证测距精度的关键环节。

目前产品中，常用16抽头FIR，可根据应用场景调整相关滤波系数。

3. 峰值搜索

峰值检测在滤波后的直方图中搜索局部极大值，先进的SPAD-SoC支持多回波检测（通常最多可输出5个），可同时检测穿透玻璃、树叶、雾气后的多次反射信号。有些还支持回波分裂判定，用于处理复杂反射场景。

可配置动态检测阈值，随噪声水平和时间Bin索引自适应调整。

4. 半高全宽（FWHM）计算

FWHM（Full Width at Half Maximum，半高全宽），即回波峰值高度 1/2 处的波形宽度。

FWHM可用于补偿不同反射率物体、不同距离导致的回波展宽误差，提高测距精度：

FWHM越宽表示测距误差越大，因此可通过 FWHM 进行误差补偿。

FWHM能够区分真实回波与噪声，噪声尖峰通常较窄，而真实回波具有一定的波形宽度。

FWHM还可用于判断目标反射率与距离，远距离或低反射率目标会使 FWHM 变宽。

在两个回波距离过近时，也能依靠 FWHM 判断回波是否重叠，从而实现多回波有效分辨。

5. 深度计算与误差校正

根据回波峰值的时间戳计算出最终的距离值，并结合FWHM、回波强度和噪声信息进行误差校正。

图片来源：灵明光子

04、系统控制与数据输出

1. 系统控制单元

系统控制单元是SPAD-SoC的全局运行管理核心，负责统筹芯片全生命周期的状态切换与资源调度。

主状态机：控制芯片的上电、初始化、正常运行和低功耗模式切换，协调各模块的时序与工作流程；

配置寄存器：存储曝光时间、激光脉冲宽度、ROI区域、工作模式等所有芯片参数，为各功能模块提供配置依据；

PLL时钟生成器：将外部输入的低频时钟倍频为芯片内部所需的高频时钟，保障各模块同步运行；

安全与监控模块：集成电压、温度、时钟及VCSEL触发监控功能，确保芯片安全可靠运行，特别是实现人眼安全保护；

内置温度传感器：实时监测芯片结温，用于动态调整SPAD工作电压，补偿温度变化对探测性能的影响。

2. 激光控制单元

SPAD-SoC和激光器需要严格同步工作，因此激光控制单元负责管理激光发射时序，确保SPAD-SoC与激光器之间精确同步。

激光控制单元通过激光控制单元，灵活配置激光脉冲的宽度、周期与重复率，支持多通道独立触发输出。激光控制单元同时接收触发反馈信号，获取激光实际发射时刻，校准系统时序误差。

有些SPAD-SoC还支持外部触发输入，可实现多传感器或多设备的同步工作。

激光控制单元通常还集成伪随机序列（PRBS）调制功能，有效解决多设备同场工作时的相互干扰问题。

3. 数据输出与通信接口单元

数据输出与通信接口单元负责SPAD-SoC与外部主机的双向数据交互。

其中，MIPI 控制器与C-PHY/D-PHY物理层构成高速串行数据输出通道，将片上处理完成的灰度图、直方图、回波信息或深度图按照标准协议格式传输给主机。

I2C/SPI从机接口作为低速控制通道，接收外部主机发送的配置指令并写入配置寄存器，实现对芯片工作模式、参数的动态调整。

05、输出模式

SPAD-SoC通常支持如下四种数据输出模式，可通过软件配置灵活切换，满足不同应用场景的需求。

注意：有些SPAD-SoC产品的输出模式可能更多，处理流程和上图也有一定差异，不过原理类似。

1. 模式1：灰度模式（Gray Scale Mode）

该模式不进行任何测距计算，直接统计每个像素在固定时间窗口内接收到的总光子数（包括信号光和环境背景光），生成类似普通CMOS相机的灰度图像。

可以采用Z型扫描或卷帘扫描方式读出全阵列，支持全分辨率输出，曝光时间可配置（最短可达80μs），最高帧率可达300fps（取决于曝光时间和读出效率）。

该模式输出的数据主要用于：环境光强度检测与标定、反射率标定与光斑校准、暗光摄影与红外成像、传感器内参标定、光斑追踪与定位。

2. 模式2：直方图模式（Histogram Mode）

将直方图生成模块输出的原始"时间-光子计数"直方图直接输出，不进行任何滤波和信号处理。

该模式输出的数据包含所有时间Bin的完整计数分布，因此数据量很大，对后端处理器带宽要求很高。

不过由于可以拿到最原始数据，灵活性最高，支持用户自定义高级算法。输出的数据可用于芯片调试与性能验证、科研实验与自定义算法开发、系统标定与误差分析。

业内讨论的卫星激光雷达方案，通常会考虑采用这种输出模式：

图片来源：识光

3. 模式3：回波模式（Echo Mode）

该模式中，原始直方图先经过FIR滤波去除噪声，然后通过回波检测算法识别出所有有效的激光回波峰值，最后将检测到的回波信息（包括时间戳、强度、数量等）打包输出。

回波模式输出的数据量远小于直方图模式，同时保留一定程度的信号细节。

该模式可用于需要多回波信息的复杂场景，例如复杂场景避障（如穿透玻璃、树叶后的障碍物检测）、3D重建与SLAM、穿透式成像（如车窗、雨雾环境）、多路径环境下的鲁棒测距。

4. 模式4：测距模式（Ranging Mode）

测距模式的前序处理（FIR滤波 + 回波检测）与回波模式相同，主要增加了深度信息的计算。

深度信息计算根据回波峰值的时间戳计算飞行时间，结合光速换算为距离值。同时，计算噪声置信度指标，有时也会计算回波半高全宽（FWHM）与回波面积。

该模式可以输出每个像素的深度值（距离图）和噪声置信度，支持输出FWHM等信号质量指标。

该模式的数据量在四种模式中最小，是绝大多数dTOF应用的主要模式。

06、扫描模式

为了适应激光雷达的扫描应用，适配不同光学系统，SPAD-SoC一般支持多种扫描模式。

如果是线阵SPAD-SOC，通常采用线扫描模式。该模式采用卷帘快门架构，每次只读出一行或几行像素的数据。

如果是面阵SPAD-SoC，通常具有1D扫描模式和2D扫描模式：

1）1D扫描模式：其中一个方向（水平或者垂直）为完整连续光带，卷帘沿另一个方向（垂直或者水平）逐列/行移动。

图片来源：万集光电

2）2D扫描模式：水平和垂直两个方向光带被分割为多个分段，卷帘同时沿垂直和水平方向移动。可以先扫描水平分段的所有垂直行，再移至下一个水平分段，也可以反过来。