【導讀】本白皮書(shū)旨在協(xié)助開(kāi)發(fā)基于硅光電倍增管(SiPM)的激光雷達(LiDAR，光探測和測距)系統。下面的章節包含了以下信息：直接飛行時(shí)間(ToF)測距儀的激光器、計時(shí)和光學(xué)參數的設計和實(shí)現，以及詳細分析將SiPM整合到此類(lèi)系統中時(shí)必須考慮的關(guān)鍵方面。
前言
LiDAR是一種測距技術(shù)，正越來(lái)越多地用于移動(dòng)測距、汽車(chē)ADAS(先進(jìn)駕駛輔助系統)、手勢識別和3D繪圖等應用。與雪崩光電二極管(APD)、PIN二極管和PMT等替代性傳感器技術(shù)相比，采用硅光電倍增管(SiPM)作為光敏傳感器有許多優(yōu)勢，特別是對于移動(dòng)和大批量產(chǎn)品而言。
安森美(onsemi)的SiPM提供：
● 從250納米到1100納米的單光子探測
● 低電壓——易于實(shí)現系統要求
● 低功耗——較低的工作電壓和簡(jiǎn)單的讀出電子裝置實(shí)現低功耗設計
● 高帶寬和快速響應時(shí)間——最小化測距時(shí)間
● 能夠利用低激光功耗直接ToF測距技術(shù)的優(yōu)勢
● 低噪聲和高增益——可實(shí)現好的信噪比(SNR)
● 標準CMOS制造工藝——成本低，高度一致性，可擴展生產(chǎn)
● 小尺寸SMT封裝——可提供1毫米的傳感器
與其他傳感器相比，遷移到SiPM傳感器技術(shù)會(huì )帶來(lái)一系列不同的限制。本白皮書(shū)旨在幫助用戶(hù)充分利用該技術(shù)的優(yōu)勢，并盡快實(shí)現采用SiPM傳感器的工作設置。
為此，安森美創(chuàng )建了三個(gè)工具來(lái)幫助用戶(hù)；一個(gè)用于仿真的MATLAB測距模型，一個(gè)測距演示器硬件裝置，以及本文文件。
● 我們創(chuàng )建了一個(gè)直接ToF系統的詳細MATLAB模型，以便于仿真基于SiPM的測距應用。該模型可用于支持測距系統的設計，并可進(jìn)行修改以仿真各種應用和實(shí)施。
● 一個(gè)基于SiPM的LiDAR演示系統已建成。對這個(gè)“第一代”系統進(jìn)行了測量，并用于驗證MATLAB模型的仿真結果。
● 本文文件旨在幫助新用戶(hù)開(kāi)發(fā)基于SiPM的直接ToF測距系統。它討論了各種系統和環(huán)境因素對所產(chǎn)生的信噪比的影響。
直接ToF測距系統的設計
一個(gè)直接的ToF測距系統所需的基本組件，如圖1所示
● 一個(gè)帶有準直光學(xué)系統的脈波激光器
● 一個(gè)帶有檢測光學(xué)組件的傳感器
● 計時(shí)和數據處理電子裝置
圖1. 直接ToF測距技術(shù)概覽
本文檔聚焦激光器、傳感器、讀出器和應用環(huán)境的系統設計。本白皮書(shū)中的單點(diǎn)、直接ToF基線(xiàn)工作可以擴展到更復雜的掃描和成像系統。在直接ToF技術(shù)中，一個(gè)周期性的激光脈波被指向目標，通常采用對眼睛安全的紅外區功率和波長(cháng)。
目標擴散并反射激光光子，一些光子被反射回傳感器。傳感器將檢測到的激光光子(和一些由于噪聲而檢測到的光子)轉換為電訊號，然后由計時(shí)電子裝置進(jìn)行時(shí)間標記。這個(gè)飛行時(shí)間t，可用來(lái)計算到目標的距離D，計算公式D=ct/2，其中c=光速，t=飛行時(shí)間。傳感器必須將返回的激光光子從噪聲(環(huán)境光)中區分出來(lái)。每個(gè)激光脈波至少捕獲一個(gè)時(shí)間標記。這稱(chēng)為單次測量。
結合許多單次測量的數據以產(chǎn)生一個(gè)測量值，信噪比可以得到極大的改善，從中可提取出檢測到的激光脈波計時(shí)，具有高精度。有幾種不同的讀出技術(shù)可從檢測到的激光光子脈波中獲取計時(shí)信息，總結如下：
測距讀出技術(shù)
● LED(前緣識別)——涉及對多光子訊號的上升沿的檢測。計時(shí)的準確性是由辨別返回的光訊號的上升沿的能力決定的。這種技術(shù)不受激光脈波寬度的影響。
● 全波形數字化——全波形被數字化，可以過(guò)采樣以提高精度。對于短激光脈波或高重復率源來(lái)說(shuō)，可能難以實(shí)現。
● TCSPC(時(shí)間相關(guān)的單光子計數)——提供最高的精度和最大的環(huán)境光抑制。這種技術(shù)要求每個(gè)激光脈波檢測不到一個(gè)訊號光子。這種技術(shù)可以不受環(huán)境光的影響，但需要短脈波時(shí)間、高重復率和快速計時(shí)電子裝置，以實(shí)現快速和準確的測量。
● SPSD(單光子同步檢測)——TCSPC的一種形式，提供高環(huán)境光抑制。必須設計電子裝置來(lái)處理范圍模糊的問(wèn)題。
建模一個(gè)直接ToF測距系統
我們創(chuàng )建了一個(gè)直接ToF系統的MATLAB模型。該模型的框圖如圖2所示。該模型給定一組與表1中所示相似的系統參數，目的是預測系統的整體性能。第一步包括分析計算傳感器的光照度(包括環(huán)境光和激光)，給定一個(gè)選定的光學(xué)場(chǎng)景，可以通過(guò)改變相應的系統參數來(lái)改變。通過(guò)比較計算出的光照度與傳感器的飽和極限，可以驗證所選擇的設置是否適合測距。在特定設置不適合測距的情況下，可以通過(guò)改變系統參數來(lái)評估設置本身的改進(jìn)。
該模型的第二部分包括一個(gè)Monte Carlo 仿真器，其中傳感器的隨機特性，主要是光子探測效率(PDE)和時(shí)間抖動(dòng)，被再現。這一步允許通過(guò)仿真獲得傳感器的現實(shí)輸出。與分析部分相比，這一步考慮到了計時(shí)信息，如采集時(shí)間、激光的重復率和激光脈波寬度。Monte Carlo 仿真的結果被傳遞給一個(gè)讀出模型，通常是一個(gè)鑒別器，然后是一個(gè)TDC(時(shí)間到數字轉換器)，它產(chǎn)生一個(gè)時(shí)間戳的柱狀圖，從中可以提取一個(gè)范圍測量。
圖2. 光照度的計算結合Monte Carlo仿真器，從而可以再現完整的系統輸出。
表1. SiPM直接ToF測距系統中的變量
測距直方圖
每次發(fā)出激光脈波時(shí)，采集系統都會(huì )進(jìn)行一次單次測量。取決于許多因素，包括激光功率和與目標的距離，每個(gè)脈波檢測到的激光光子數量可能很低。理想情況下，每個(gè)檢測到的光子都會(huì )用時(shí)間標記。但每個(gè)單次測量的時(shí)間標記數量可能受到TDC死區時(shí)間的限制。通常情況下，許多單次測量的時(shí)間，各包含一個(gè)或多個(gè)時(shí)間標記，結合起來(lái)可產(chǎn)生一幀。在一幀過(guò)程中獲得的完整計時(shí)數據可以以直方圖的形式繪制出來(lái)，如圖3所示。
系統測距性能受到直方圖數據質(zhì)量的限制，而直方圖又受到系統參數的影響。從第7頁(yè)“改變系統變量的影響”一節中詳述的系統參數分析中可以看出，有一些限制因素和一些可以作出的取舍。下面使用的測距直方圖也提供了一個(gè)直觀(guān)的表示，這對于描述各種參數對所采集數據的影響是很有用的?；局狈綀D訊號和計時(shí)參數說(shuō)明如下。
直方圖的信噪比，SNRH，是訊號峰值與最大噪聲峰值之比。SNRH = 訊號峰值/噪聲峰值。
在模型中，以下術(shù)語(yǔ)適用于測量時(shí)間：f = 激光頻率。
激光重復率限制了可以測量的最大ToF，無(wú)失真，這定義了每次單次測量的時(shí)間。
單次測量時(shí)間，tss = 1/f。
幀大小是指每張直方圖的單次測量數。較大的幀大小可以提高SNRH，產(chǎn)生更好質(zhì)量的直方圖。測距速度由幀率定義：幀率=每秒測距次數 = 1/ tacq
圖3. 顯示訊號、噪聲和飛行時(shí)間的仿真直方圖實(shí)例
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
