CN116299508A - 基于硅光电倍增管的快速自适应激光测距***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于硅光电倍增管的快速自适应激光测距***及方法，数据处理模块启动时序控制电路，驱动脉冲激光发射器产生激光，并通过发射透镜组件整形，照射到被测物体上，时间数字转换模块同步开始计时；回波光信号由接收透镜组件接收并经光阑均布在硅光电倍增管接收面，进行光电转换，再通过放大电路把信号放大；信号处理模块实时测量背景光强作为阈值电压输出至比较器，经比较器整形与甄别，得到有效的信号并传输至时间数字转换模块同时结束计时；通过对比开始计时信号和结束计时信号之间的时间延时，得到目标距离位置。本发明能够充分减少背景光的影响，快速采集距离信息，并通过自动调节电压使硅光电倍增管的过电压保持恒定。

Description

基于硅光电倍增管的快速自适应激光测距***及方法

技术领域

本发明属于激光雷达探测技术领域，特别是涉及一种基于硅光电倍增管的快速自适应激光测距***及方法。

背景技术

激光测距技术是基于激光具备良好的方向性与单色性而发展起来的一项技术，它具有精度高、传输距离远、传播速度快等优势，在民用与军用领域都得到了广泛的运用。在激光测距***中，由于需要接收的回波信号强度较弱，传统的光学探测器无法实现对微弱光信号的探测，需要使用精确到单光子级别的探测器接收信号。

硅光电倍增管SiPM是一种一种新型的高性能半导体光电探测器，它由工作在盖革模式的多个像素相互并联的阵列构成，每个像素由雪崩光电二极管和淬灭电阻串联而成。SiPM具有单光子级别的灵敏度、优异的光子计数能力及皮秒级的高速响应能力等特性。由于SiPM由数千个雪崩光电二极管构成，因此其探测面较大，一次也能够响应较多光子数,因此需要扩大信号的入射面才能完全利用SiPM的探测性能，且由于其灵敏度较高，需要控制背景光的影响，同时SiPM易受温度影响出现误差，在进行实际操作时需要实时控制其过电压保证精确度。基于SiPM的激光测距***能够进行实时测量的同时能够提升***的灵敏度，同时简化***，对于激光雷达的应用具有重要意义。

目前国内外已经将硅光电倍增管作为探测器运用于激光测距***中，由于硅光电倍增管的探测面较大且像元较多，现有技术未能充分利用硅光电倍增管的探测能力，同时由于硅光电倍增管的灵敏度较高，易受到背景光的影响，目前还未基于硅光电倍增管设计自适应调整阈值的激光测距***。

发明内容

本发明目的在于解决现有测距***无法完全利用硅光电倍增管较大的探测面，且易受背景光的影响，无法随背景光的变化实时的调整阈值电压的问题。

为了实现本发明目的，本发明一种基于硅光电倍增管的快速自适应激光测距***，包括时序控制电路、脉冲激光发射器、发射透镜组件、接收透镜组件、光阑、硅光电倍增管、放大电路、信号处理模块、比较器、数据处理模块、时间数字转换模块；通过数据处理模块启动时序控制电路，时序控制电路驱动脉冲激光发射器产生激光，并通过发射透镜组件整形，照射到被测物体上；同时，时序控制电路给出开始计时信号使时间数字转换模块同步开始计时；激光到达目标位置后，回波光信号由接收透镜组件接收，并通过光阑将回波光信号均匀的分布在硅光电倍增管的接收面上，由硅光电倍增管进行光电转换，再通过放大电路把信号放大；使用信号处理模块实时测量背景光强并作为阈值电压输出至比较器，之后信号经过比较器进行整形与甄别，得到有效的信号并传输至时间数字转换模块同时结束计时；当完成设定的探测周期后，根据周期内采集到的光子信号序列，统计所有探测周期的光子事件的分布，通过对比时间数字转换模块的开始计时信号和结束计时信号之间的时间延时，将数据传输给数据处理模块得到目标距离位置。

进一步地，通过温度传感器实时监测硅光电倍增管工作温度并传输信息至具有温度补偿功能的电源模块；电源模块根据温度传感器自动调节输出电压，使得硅光电倍增管处于稳定工作状态。

进一步地，信号处理模块首先计算无激光信号下硅光电倍增管的输出电压，并与设定的额定电压叠加；随后通过FPGA设定延时器保留当前电压作为比较电压，当硅光电倍增管接收到脉冲信号后，会与前一时刻的电压进行比较，实时测量光强并作为阈值电压；若硅光电倍增管接收到脉冲信号大于前一时刻的电压，传输结束计时信号至时间数字转换模块。

进一步地，硅光电倍增管每个像素是由工作在盖革模式的硅雪崩光电二极管APD串联淬灭电阻构成；数个这样的像素并联连接，构成二维的阵列式结构，并共用一个电源端和一个输出端。

进一步地，时间数字转换模块通过SPI通信协议传输至数据处理模块，得到实际传输距离。

为了实现本发明的目的本发明还公开了一种基于硅光电倍增管的快速自适应激光测距方法，包括以下步骤：

步骤1、通过数据处理模块启动时序控制电路，时序控制电路驱动脉冲激光发射器产生激光，并通过发射透镜组件整形，照射到被测物体上；同时，时序控制电路给出开始计时信号使时间数字转换模块同步开始计时；

步骤2、激光到达目标位置后，回波光信号由接收透镜组件接收，并通过光阑将回波光信号均匀的分布在硅光电倍增管的接收面上，由硅光电倍增管进行光电转换，再通过放大电路把信号放大，使用信号处理模块实时测量背景光强并作为阈值电压输出至比较器，之后信号经过比较器进行整形与甄别，得到有效的信号并传输至时间数字转换模块同时结束计时；

步骤3、当完成设定的探测周期后，根据周期内采集到的光子信号序列，统计所有探测周期的光子事件的分布，通过对比时间数字转换模块的开始计时信号和结束计时信号之间的时间延时，将数据传输给数据处理模块得到目标距离位置。

与现有技术相比，本发明的显著进步在于：1)设计光阑，其光阑孔位于焦平面上且与焦平面面积相等，通过该设计能够充分减少背景光的影响，而回波信号则全部被接收；2)通过计算确定光敏面与光阑孔的距离，使回波光信号通过光阑后覆盖硅光电倍增管的光敏面上，由于硅光电倍增管由数千个光电二极管并联形成，其接收面较大，通过该设计能够让光阑在阻挡背景光的同时令回波信号通过扩散完全覆盖硅光电倍增管的接收面上，充分利用了硅光电倍增管的特性；3)通过设计信号处理模块，实时测量硅光电倍增管的输出电压，通过加法器令当前输出电压与设定的额定电压叠加作为比较电压，当硅光电倍增管接收到脉冲信号时，由于延时器的存在会令当前硅光电倍增管的输出电压与前一时刻的叠加后的输出电压进行比较，通过本设计能够令本***随背景光的变化实时的自适应的调整，且由于采用比较判别法，能够快速采集距离信息；4)采用具有温度补偿功能的电源模块，同时采用温度传感器实时测量硅光电倍增管的工作温度，通过自动调节电压使硅光电倍增管的过电压保持恒定。

为更清楚说明本发明的功能特性以及结构参数，下面结合附图及具体实施方式进一步说明。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为基于硅光电倍增管的快速自适应激光测距***的结构示意图；

图2为硅光电倍增管接收回波信号的示意图；

图3为信号处理模块的结构示意图；

图4为基于硅光电倍增管的快速自适应激光测距方法的流程示意图；

图中附图标记为：包括时序控制电路1、脉冲激光发射器2、发射透镜组件3、接收透镜组件4、光阑5、硅光电倍增管6、放大电路7、信号处理模块8、比较器9、电源模块10、温度传感器11、数据处理模块12、时间数字转换模块13。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种基于硅光电倍增管的快速自适应激光测距***，包括时序控制电路1、脉冲激光发射器2、发射透镜组件3、接收透镜组件4、光阑5、硅光电倍增管6、放大电路7、信号处理模块8、比较器9、电源模块10、温度传感器11、数据处理模块12、时间数字转换模块13。数据处理模块12与时序控制电路1相连，用于存储数据并发射脉冲信号，控制整个***的运作；时序控制电路1控制脉冲激光发射器2发射脉冲激光信号，并发送开始计时信号至时间数字转换模块；发射透镜组件3将发散角大幅度的压缩，将激光信号进行准直使其出射到目标物体上；接收透镜组件4用于将到达目标位置后发生漫反射的回波信号再次聚焦于硅光电倍增管6的接收面上；光阑5用于阻挡部分背景光，同时将光信号扩散至硅光电倍增管6表面；硅光电倍增管6用于接收激光回波信号并转换为电流信号用于后续处理；放大电路7用于将硅光电倍增管6传输的微弱电流信号转换为较大的电压信号；比较器9用于通过设定不同的等效阈值电压将放大的模拟信号转换为数字信号并发送停止计时信号给时间数字转换模块13；信号处理模块8用于根据背景光强实时改变阈值电压；温度传感器11得到硅光电倍增管6的实时温度并传输至电源模块10，令电源模块10根据温度调整电压使硅光电倍增管6处于稳定的工作状态；时间数字转换模块13通过计算开始计时信号与停止时间信号得到延迟时间；数据处理模块12通过SPI与时间数字转换模块13通信后处理数据得到实际传输距离，并通过相关界面显示距离。

具体地，在本实施例中，电源模块10是一种具有温度补偿功能电源模块，其具体的工作过程是，温度传感器11通过检测硅光电倍增管6所处的环境温度，与硅光电倍增管6的基准源进行对比具体的基准源为当环境温度为25℃基准电压为25V。当环境温度升高时，所需击穿电压也随之提高，而当工作电压一定时其过电压随之减小，会导致探测效率降低，使用具有温度补偿功能的电源模块10，使硅光电倍增管6维持恒定的过电压。

具体地，在本实施例中，脉冲激光发射器3的具体型号为RLD650005，硅光电倍增管6的具体型号为JSP-TP3050-SMT，放大电路7的具体型号为OPA657，电源模块10的具体型号为LM2733，比较器9的具体型号为MAX999，数据处理模块12的具体型号为STM32F103CBT6，时间数字转换模块13的具体型号为TDC-GP22。

具体地，在本实施例中，硅光电倍增管6的每个像素是由工作在盖革模式下的多个像素相互并联构成，每个像素由雪崩二极管与淬灭电阻相互串联而成。

如图2所示，回波信号由接收透镜组件4接收，光信号逐渐汇聚至一个焦平面，通过本***设计光阑5使其口径与焦平面的相匹配，尽可能的滤除背景光噪声，由于硅光电倍增管6接收面较大，本***设计的光阑5延长焦平面与硅光电倍增管6的距离，令回波光信号扩散全部入射到硅光电倍增管6SiPM的光敏面上，充分发挥SiPM的探测性能，其中，焦平面的直径为：

式中，u为探测距离，R_T为通光口径，f为***的焦距,通过该式可以计算出焦平面的直径R，再通过硅光电倍增管的探测面大小则可计算出光阑的厚度。

如图3所示，为信号处理模块，首先计算无激光信号下硅光电倍增管的输出电压，并与设定的额定电压叠加，通过FPGA设定延时器保留当前电压作为比较电压，当硅光电倍增管接收到脉冲信号后，会与前一时刻的电压进行比较，通过该模块能够实时测量光强并作为阈值电压，实现本***自适应光强的功能。

如图4所示，一种基于硅光电倍增管的快速自适应激光测距方法，包括以下步骤：

步骤1、通过数据处理模块启动时序控制电路，时序控制电路驱动脉冲激光发射器产生激光发射至目标面；同时，数字转换模块同步开始计时；

步骤2、激光到达目标位置后，接收透镜组件接收回波光信号并通过光阑传输至硅光电倍增管，由硅光电倍增管接收并处理为电压信号与信号处理模块得到背景光噪声的输出电压进行比较，当得到有效信号后传输至时间数值转换模块。

步骤3、当完成设定的探测周期后，统计所有探测周期的光子事件的分布，通过时间数字转换模块得到数据并传输给数据处理模块得到目标距离位置。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种基于硅光电倍增管的快速自适应激光测距***，其特征在于，包括时序控制电路、脉冲激光发射器、发射透镜组件、接收透镜组件、光阑、硅光电倍增管、放大电路、信号处理模块、比较器、数据处理模块、时间数字转换模块；通过数据处理模块启动时序控制电路，时序控制电路驱动脉冲激光发射器产生激光，并通过发射透镜组件整形，照射到被测物体上；同时，时序控制电路给出开始计时信号使时间数字转换模块同步开始计时；激光到达目标位置后，回波光信号由接收透镜组件接收，并通过光阑将回波光信号均匀的分布在硅光电倍增管的接收面上，由硅光电倍增管进行光电转换，再通过放大电路把信号放大；使用信号处理模块实时测量背景光强并作为阈值电压输出至比较器，之后信号经过比较器进行整形与甄别，得到有效的信号并传输至时间数字转换模块同时结束计时；当完成设定的探测周期后，根据周期内采集到的光子信号序列，统计所有探测周期的光子事件的分布，通过对比时间数字转换模块的开始计时信号和结束计时信号之间的时间延时，将数据传输给数据处理模块得到目标距离位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于硅光电倍增管的快速自适应激光测距***，其特征在于，通过温度传感器实时监测硅光电倍增管工作温度并传输信息至具有温度补偿功能的电源模块；电源模块根据温度传感器自动调节输出电压，使得硅光电倍增管处于稳定工作状态。

3.根据权利要求1所述的一种基于硅光电倍增管的快速自适应激光测距***，其特征在于，所述信号处理模块首先计算无激光信号下硅光电倍增管的输出电压，并与设定的额定电压叠加；随后通过FPGA设定延时器保留当前电压作为比较电压，当硅光电倍增管接收到脉冲信号后，会与前一时刻的电压进行比较，实时测量光强并作为阈值电压；若硅光电倍增管接收到脉冲信号大于前一时刻的电压，传输结束计时信号至时间数字转换模块。

4.根据权利要求1所述的一种基于硅光电倍增管的快速自适应激光测距***，其特征在于，所述硅光电倍增管每个像素是由工作在盖革模式的硅雪崩光电二极管APD串联淬灭电阻构成；数个这样的像素并联连接，构成二维的阵列式结构，并共用一个电源端和一个输出端。

5.根据权利要求1所述的一种基于硅光电倍增管的快速自适应激光测距***，其特征在于，所述时间数字转换模块通过SPI通信协议传输至数据处理模块，得到实际传输距离。

6.一种基于硅光电倍增管的快速自适应激光测距方法，所述方法基于权利要求1-5中任一所述的一种基于硅光电倍增管的快速自适应激光测距***，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、通过数据处理模块启动时序控制电路，时序控制电路驱动脉冲激光发射器产生激光，并通过发射透镜组件整形，照射到被测物体上；同时，时序控制电路给出开始计时信号使时间数字转换模块同步开始计时；

步骤2、激光到达目标位置后，回波光信号由接收透镜组件接收，并通过光阑将回波光信号均匀的分布在硅光电倍增管的接收面上，由硅光电倍增管进行光电转换，再通过放大电路把信号放大，使用信号处理模块实时测量背景光强并作为阈值电压输出至比较器，之后信号经过比较器进行整形与甄别，得到有效的信号并传输至时间数字转换模块同时结束计时；

步骤3、当完成设定的探测周期后，根据周期内采集到的光子信号序列，统计所有探测周期的光子事件的分布，通过对比时间数字转换模块的开始计时信号和结束计时信号之间的时间延时，将数据传输给数据处理模块得到目标距离位置。

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