硅光电倍增管用于直接飞行时间测距应用（二）：改变系统变量的影响

2022-04-01 来源：eefocus

系统设计参数将根据特定应用的要求而变化。本节的目的是利用直接ToF测距系统的模型，证明采集的数据是如何受到七个关键参数的影响。也体现与目标的距离和环境光照度的影响。关键点总结在表2中。以下各节显示的直方图是通过仿真得到的，可以假定每个直方图都包括在单帧中获得的整个数据集。为了计算速度，所显示的直方图对应于一个较短的采集时间。

改变系统变量的影响

1 参考直方图

图4显示了在右侧蓝色呼出框中列出的条件下，通过仿真得到的参考直方图。这种配置被用作参考点，以显示替代系统参数值的影响。以下分析中所使用的系统参数是为了提供一个典型的5米测距应用的参考点。一些参数的选择是为了便于仿真和说明，而不是为了反映一个优化的设置。在以下各节中，只修改了一个参数，并重新进行了仿真，以说明该参数对系统采集数据的影响。

图4. 参考直方图

表2. 关键参数的影响概述

2 激光脉波重复率

较高的激光脉波重复率可以提高直方图的质量，因为它增加了单次测量的次数，使得在给定的采集时间内可以检测到更多返回的激光光子。随着获得更多的噪声计数，最大噪声峰值也会增加。但是，由于噪声是不相关的，总体SNRH增加，如图5所示。可以选择的最大激光重复率有一个上限，因为该重复率限制了可不失真地测得的目标距离。例如，如果300米是最大的测距目标距离，那么可以使用1 MHz的最大重复率。如果100米是最大的目标距离，那么可以使用3 MHz。

3 激光脉波宽度

如图6所示，较宽的激光脉波宽度会导致直方图中较宽的讯号峰值。对于方形脉波，有必要对脉波的前缘进行判别，以便只定位探测到的第一个光子的飞行时间。后续的光子并不携带有用的ToF信息。因此，较短的激光脉波是最佳的。然而，是否有合适的激光器可能是实际设置中的决定性因素。

图5. 激光重复率的影响

图6. 更宽的激光脉波宽度的影响

4 激光波长

激光波长的选择受到许多因素的影响，包括眼睛安全性和是否有特定波长的低成本激光器。激光波长的选择也会影响测距性能，因为不同波长下太阳辐照度和传感器探测效率。对于一个受太阳噪声影响的系统，可以选择一个较长的波长，以利用太阳辐照度在较长波长下相应减少。

从图8中的太阳辐照度模型可以看出这种效果。在激光波长为940纳米时，建模的SiPM的PDE从约1%降低到约0.3%。保持所有其他参数不变，激光光子和环境光子的探测效率都会降低。对于这特定的设置，净效应是由于总计数减少而导致SNRH的降低，如图7所示。当然，如果选择另一种SiPM，在关注的波长上具有更好的PDE，那么产生的直方图讯号计数会更高，SNRH也会得到改善。同样地，其他参数也可以修改，以补偿减少的PDE。

图7. 增加的波长对直方图的影响

图8. 太阳辐照度模型

5 采集镜头光圈

当镜头光圈扩大时，更多的环境光子被探测到，而返回的激光光子数量保持不变。SiPM现在很容易出现饱和，这一点从图9中直方图窗口开始时的大过冲可以看出。当传感器饱和时，激光光子就不能再被SiPM检测到，导致讯号检测率降低，整体SNRH降低。

图9. 增加的采集镜头光圈的影响

6 传感器的视角

传感器的视角由传感器的尺寸和采集镜头的焦距决定。当传感器的视角增加到20°时，入射到SiPM上的环境光会明显增多。然后，它变得饱和，以至于系统无法辨别激光脉波，如图10中的情况。关键是要限制传感器的视角，使其只覆盖激光的范围，避免这种情况。

图10. 增加的传感器视角的影响

7 滤光片带通

光学带通滤波器用于限制由激光波长范围以外的光产生的环境噪声。在这种情况下，滤光器的带通范围是50纳米FWHM(全宽半长)。这允许更多波长的环境光通过SiPM，增加了测量的背景噪声，恶化了SNRH，如图11所示。在模型中，激光波长正好只有905纳米，获得的激光讯号不受带通FWHM的影响。在实际系统中，激光中心波长可能有比较大的差异，这可能对带通滤波器的选择有影响。

图11. 更宽的传感器光学带通的影响

8 SiPM微单元尺寸

图12中的直方图显示了MicroFC-10035 SiPM相较MicroFC-10020的仿真性能。主要的影响是，在关注的波长处，PDE略有增加，导致讯号略微提高，而噪声的相应增加较小。在这个测距距离和这个配置下，SiPM的这种变化对仿真直方图没有显著影响。

图12. 改变SiPM微单元尺寸的影响

9 到目标的距离

图13中的图迭加了距目标10米、15米、20米和25米处的直方图。X轴上的讯号峰的间距对应于ToF=2*距离/c。随着距离的增加，从激光器获得的计数减少，因为传感器上的激光光子密度以1/d2(其中d是传感器与目标的距离)减少，但环境噪声保持不变，因为从目标扩散回来的环境光子数量不随距离变化。在30米处，使用这种配置已经不可能进行测距了。当然，可以对配置进行优化，以便在这个距离上进行测距(参考第15页第3节的测距演示器建模到100米的设置，以模拟长距离的测距)。

图13. 增加目标距离的影响

10 环境光

这里的环境光增加了10倍，达到100 klux。随着打到传感器上的环境光子数的增加和所有其他条件保持不变，每一次单次测量都会获得更多的环境光子。整个画面上每仓的噪声计数相应增加，SNRH受到负面影响。图14显示，10米处的峰值仍可辨认，因此在此光照水平下，使用这种配置仍可进行测距，但现在的测距能力将被降低。相反，在低环境光下，由于噪声计数较低，SNRH将得到改善。