【導讀】系統設計參數將根據特定應用的要求而變化。本節的目的是利用直接ToF測距系統的模型，證明采集的數據是如何受到七個(gè)關(guān)鍵參數的影響。也體現與目標的距離和環(huán)境光照度的影響。關(guān)鍵點(diǎn)總結在表2中。以下各節顯示的直方圖是通過(guò)仿真得到的，可以假定每個(gè)直方圖都包括在單幀中獲得的整個(gè)數據集。為了計算速度，所顯示的直方圖對應于一個(gè)較短的采集時(shí)間。
改變系統變量的影響
系統設計參數將根據特定應用的要求而變化。本節的目的是利用直接ToF測距系統的模型，證明采集的數據是如何受到七個(gè)關(guān)鍵參數的影響。也體現與目標的距離和環(huán)境光照度的影響。關(guān)鍵點(diǎn)總結在表2中。以下各節顯示的直方圖是通過(guò)仿真得到的，可以假定每個(gè)直方圖都包括在單幀中獲得的整個(gè)數據集。為了計算速度，所顯示的直方圖對應于一個(gè)較短的采集時(shí)間。
1 參考直方圖
圖4顯示了在右側藍色呼出框中列出的條件下，通過(guò)仿真得到的參考直方圖。這種配置被用作參考點(diǎn)，以顯示替代系統參數值的影響。以下分析中所使用的系統參數是為了提供一個(gè)典型的5米測距應用的參考點(diǎn)。一些參數的選擇是為了便于仿真和說(shuō)明，而不是為了反映一個(gè)優(yōu)化的設置。在以下各節中，只修改了一個(gè)參數，并重新進(jìn)行了仿真，以說(shuō)明該參數對系統采集數據的影響。
圖4. 參考直方圖
表2. 關(guān)鍵參數的影響概述
2 激光脈波重復率
較高的激光脈波重復率可以提高直方圖的質(zhì)量，因為它增加了單次測量的次數，使得在給定的采集時(shí)間內可以檢測到更多返回的激光光子。隨著(zhù)獲得更多的噪聲計數，最大噪聲峰值也會(huì )增加。但是，由于噪聲是不相關(guān)的，總體SNRH增加，如圖5所示?？梢赃x擇的最大激光重復率有一個(gè)上限，因為該重復率限制了可不失真地測得的目標距離。例如，如果300米是最大的測距目標距離，那么可以使用1 MHz的最大重復率。如果100米是最大的目標距離，那么可以使用3 MHz。
3 激光脈波寬度
如圖6所示，較寬的激光脈波寬度會(huì )導致直方圖中較寬的訊號峰值。對于方形脈波，有必要對脈波的前緣進(jìn)行判別，以便只定位探測到的第一個(gè)光子的飛行時(shí)間。后續的光子并不攜帶有用的ToF信息。因此，較短的激光脈波是最佳的。然而，是否有合適的激光器可能是實(shí)際設置中的決定性因素。
圖5. 激光重復率的影響
圖6. 更寬的激光脈波寬度的影響
4 激光波長(cháng)
激光波長(cháng)的選擇受到許多因素的影響，包括眼睛安全性和是否有特定波長(cháng)的低成本激光器。激光波長(cháng)的選擇也會(huì )影響測距性能，因為不同波長(cháng)下太陽(yáng)輻照度和傳感器探測效率。對于一個(gè)受太陽(yáng)噪聲影響的系統，可以選擇一個(gè)較長(cháng)的波長(cháng)，以利用太陽(yáng)輻照度在較長(cháng)波長(cháng)下相應減少。
從圖8中的太陽(yáng)輻照度模型可以看出這種效果。在激光波長(cháng)為940納米時(shí)，建模的SiPM的PDE從約1%降低到約0.3%。保持所有其他參數不變，激光光子和環(huán)境光子的探測效率都會(huì )降低。對于這特定的設置，凈效應是由于總計數減少而導致SNRH的降低，如圖7所示。當然，如果選擇另一種SiPM，在關(guān)注的波長(cháng)上具有更好的PDE，那么產(chǎn)生的直方圖訊號計數會(huì )更高，SNRH也會(huì )得到改善。同樣地，其他參數也可以修改，以補償減少的PDE。
圖7. 增加的波長(cháng)對直方圖的影響
圖8. 太陽(yáng)輻照度模型
5 采集鏡頭光圈
當鏡頭光圈擴大時(shí)，更多的環(huán)境光子被探測到，而返回的激光光子數量保持不變。SiPM現在很容易出現飽和，這一點(diǎn)從圖9中直方圖窗口開(kāi)始時(shí)的大過(guò)沖可以看出。當傳感器飽和時(shí)，激光光子就不能再被SiPM檢測到，導致訊號檢測率降低，整體SNRH降低。
圖9. 增加的采集鏡頭光圈的影響
6 傳感器的視角
傳感器的視角由傳感器的尺寸和采集鏡頭的焦距決定。當傳感器的視角增加到20°時(shí)，入射到SiPM上的環(huán)境光會(huì )明顯增多。然后，它變得飽和，以至于系統無(wú)法辨別激光脈波，如圖10中的情況。關(guān)鍵是要限制傳感器的視角，使其只覆蓋激光的范圍，避免這種情況。
圖10. 增加的傳感器視角的影響
7 濾光片帶通
光學(xué)帶通濾波器用于限制由激光波長(cháng)范圍以外的光產(chǎn)生的環(huán)境噪聲。在這種情況下，濾光器的帶通范圍是50納米FWHM(全寬半長(cháng))。這允許更多波長(cháng)的環(huán)境光通過(guò)SiPM，增加了測量的背景噪聲，惡化了SNRH，如圖11所示。在模型中，激光波長(cháng)正好只有905納米，獲得的激光訊號不受帶通FWHM的影響。在實(shí)際系統中，激光中心波長(cháng)可能有比較大的差異，這可能對帶通濾波器的選擇有影響。
圖11. 更寬的傳感器光學(xué)帶通的影響
8 SiPM微單元尺寸
圖12中的直方圖顯示了MicroFC-10035 SiPM相較MicroFC-10020的仿真性能。主要的影響是，在關(guān)注的波長(cháng)處，PDE略有增加，導致訊號略微提高，而噪聲的相應增加較小。在這個(gè)測距距離和這個(gè)配置下，SiPM的這種變化對仿真直方圖沒(méi)有顯著(zhù)影響。
圖12. 改變SiPM微單元尺寸的影響
9 到目標的距離
圖13中的圖迭加了距目標10米、15米、20米和25米處的直方圖。X軸上的訊號峰的間距對應于ToF=2*距離/c。隨著(zhù)距離的增加，從激光器獲得的計數減少，因為傳感器上的激光光子密度以1/d2(其中d是傳感器與目標的距離)減少，但環(huán)境噪聲保持不變，因為從目標擴散回來(lái)的環(huán)境光子數量不隨距離變化。在30米處，使用這種配置已經(jīng)不可能進(jìn)行測距了。當然，可以對配置進(jìn)行優(yōu)化，以便在這個(gè)距離上進(jìn)行測距(參考第15頁(yè)第3節的測距演示器建模到100米的設置，以模擬長(cháng)距離的測距)。
圖13. 增加目標距離的影響
10 環(huán)境光
這里的環(huán)境光增加了10倍，達到100 klux。隨著(zhù)打到傳感器上的環(huán)境光子數的增加和所有其他條件保持不變，每一次單次測量都會(huì )獲得更多的環(huán)境光子。整個(gè)畫(huà)面上每倉的噪聲計數相應增加，SNRH受到負面影響。圖14顯示，10米處的峰值仍可辨認，因此在此光照水平下，使用這種配置仍可進(jìn)行測距，但現在的測距能力將被降低。相反，在低環(huán)境光下，由于噪聲計數較低，SNRH將得到改善。
圖14. 增加環(huán)境光的影響
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：
