矽光電倍增管用於直接飛行時間測距應用（三）：測距演示儀說明
發布時間：2022-03-15 來源：安森美 責任編輯：wenwei
【導讀】第一代測距演示儀(Gen1 Ranging Demonstrator)是個評估係統，用於介紹使用SiPM傳感器進行直接ToF測距。Gen1的特點是：
第一代測距演示儀說明
第一代測距演示儀(Gen1 Ranging Demonstrator)是個評估係統，用於介紹使用SiPM傳感器進行直接ToF測距。Gen1的特點是：
● 光學接口，包括激光準直透鏡、傳感器采集透鏡和帶通濾波器。
● 激光二極管和驅動電路。
● SiPM傳感器和鑒別器電路。
● 基於FPGA的時間-數字轉換器(TDC)，讀出和通信接口。
● 基於PC的軟件。
圖15顯示了係統框圖。該演示器使用了一個905納米的激光二極管，脈波寬度為150 ps，激光峰值功率高達2 W，激光脈波重複率為150 kHz。激光輸出訊號由一個發散角為0.06°的透鏡準直。
在接收器處，反射的訊號通過一個40毫米焦距的采集透鏡聚焦到傳感器上，該透鏡的孔徑為11.4毫米。傳感器的視角為1.4°。該訊號還被一個FWHM為10納米的光學帶通濾光器過濾。檢測訊號鏈包括SensL MicroFC10020-SMT SiPM、一個增益級和一個高速比較器，執行前緣識別，以及脈波發生器電路。產生的脈波使用獨立的TDC或基於FPGA的TDC和數據采集係統進行時間標記。采集的數據通過高速USB鏈路傳輸到PC軟件。
係統軟件從獲得的數據中建立直方圖，並將其繪製出來進行分析。曲線擬合算法提取ToF，如第6頁的測距直方圖部分所述。用軟件可調設置可選擇一係列的配置，以優化係統用於各種應用。該演示是可攜式的，由一個6 V電源供電。表3列出了Gen1係統參數的完整列表。
圖15. Gen1測距演示器原理框圖
表3. GEN1係統參數，傳感器與目標的距離達5米
1 第一代測距演示器的性能
第一代測距演示器的性能已測量了一些有著不同的目標距離和環境光條件的用例。從0米到5米的實際測距數據如圖16所示，采用測距數據直方圖的形式，對比由此產生的測距和實際測距特性以及相關的測距誤差。表4總結了Gen1係統在實驗室250勒克斯環境光條件下，5米以內的性能。
表4. Gen1係統在5 m內的性能摘要
圖16. Gen1係統在5 m內的基準性能數據
圖17. 用Gen1 Ranging Demonstrator采集的數據
2 使用Gen1係統測量結果對模型進行驗證
用yong演yan示shi器qi的de係xi統tong參can數shu對dui模mo型xing進jin行xing配pei置zhi，並bing在zai與yu目mu標biao有you相xiang同tong距ju離li和he環huan境jing光guang的de條tiao件jian下xia進jin行xing仿fang真zhen。然ran後hou將jiang仿fang真zhen結jie果guo與yu測ce距ju演yan示shi器qi的de測ce量liang結jie果guo進jin行xing比bi較jiao，如ru圖tu17和圖18所示，具有良好的相關性。這驗證了該模型，並提供了為不同用例設計係統的方法。
圖18. MA TLAB模型仿真數據
3 將Gen1係統升級為測距達100米的Gen2係統
該模型隨後被用來開發一套係統參數，使Gen1係統升級到能夠達100米測距。這升級係統稱為Gen2係統。這些參數變化顯示在表5中。圖19顯示了仿真直方圖，圖20顯示了100米處的仿真測距分辨率，圖21顯示了在整個10米到100米範圍內的測距，顯示了良好的線性度。表6總結了相應的係統性能。在這個視頻中可以看到Gen2的運行情況。
表5. 第二代升級版測距演示係統的係統參數
圖19. 使用Gen2係統參數對100米遠的目標進行測距仿真的直方圖
圖20. 在100米處的測距，使用表5中的Gen2係統參數和給定的參數
圖21. 使用Gen2係統參數仿真對10米至100米目標的測距數據，顯示出良好的線性度
表6. GEN2測距儀的仿真性能，用於達100米的測距(100 KLUX，環境光，LED，150KHZ)。
更多幫助
1. 測距演示儀說明——本文檔描述了測距演示儀的規格和工作。該演示器是個工程原型。其目的是在測距應用中演示SiPM技術，並對將來設計的建模提供回饋。
2. SiPM簡介——本文檔為剛接觸這種類型傳感器的人介紹了矽光電倍增管的基本概念。
3. 如何評估和比較SiPM傳感器——本文檔探討了選擇最佳SiPM時需要考慮的一些主要因素。
4. C-係列數據表——本文文件中使用的傳感器數據表。
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