【導(dǎo)讀】第一代測(cè)距演示儀(Gen1 Ranging Demonstrator)是個(gè)評(píng)估系統(tǒng)，用于介紹使用SiPM傳感器進(jìn)行直接ToF測(cè)距。Gen1的特點(diǎn)是：
第一代測(cè)距演示儀說(shuō)明
第一代測(cè)距演示儀(Gen1 Ranging Demonstrator)是個(gè)評(píng)估系統(tǒng)，用于介紹使用SiPM傳感器進(jìn)行直接ToF測(cè)距。Gen1的特點(diǎn)是：
● 光學(xué)接口，包括激光準(zhǔn)直透鏡、傳感器采集透鏡和帶通濾波器。
● 激光二極管和驅(qū)動(dòng)電路。
● SiPM傳感器和鑒別器電路。
● 基于FPGA的時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)，讀出和通信接口。
● 基于PC的軟件。
圖15顯示了系統(tǒng)框圖。該演示器使用了一個(gè)905納米的激光二極管，脈波寬度為150 ps，激光峰值功率高達(dá)2 W，激光脈波重復(fù)率為150 kHz。激光輸出訊號(hào)由一個(gè)發(fā)散角為0.06°的透鏡準(zhǔn)直。
在接收器處，反射的訊號(hào)通過(guò)一個(gè)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(hào)還被一個(gè)FWHM為10納米的光學(xué)帶通濾光器過(guò)濾。檢測(cè)訊號(hào)鏈包括SensL MicroFC10020-SMT SiPM、一個(gè)增益級(jí)和一個(gè)高速比較器，執(zhí)行前緣識(shí)別，以及脈波發(fā)生器電路。產(chǎn)生的脈波使用獨(dú)立的TDC或基于FPGA的TDC和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間標(biāo)記。采集的數(shù)據(jù)通過(guò)高速USB鏈路傳輸?shù)絇C軟件。
系統(tǒng)軟件從獲得的數(shù)據(jù)中建立直方圖，并將其繪制出來(lái)進(jìn)行分析。曲線擬合算法提取ToF，如第6頁(yè)的測(cè)距直方圖部分所述。用軟件可調(diào)設(shè)置可選擇一系列的配置，以優(yōu)化系統(tǒng)用于各種應(yīng)用。該演示是可攜式的，由一個(gè)6 V電源供電。表3列出了Gen1系統(tǒng)參數(shù)的完整列表。
圖15. Gen1測(cè)距演示器原理框圖
表3. GEN1系統(tǒng)參數(shù)，傳感器與目標(biāo)的距離達(dá)5米
1 第一代測(cè)距演示器的性能
第一代測(cè)距演示器的性能已測(cè)量了一些有著不同的目標(biāo)距離和環(huán)境光條件的用例。從0米到5米的實(shí)際測(cè)距數(shù)據(jù)如圖16所示，采用測(cè)距數(shù)據(jù)直方圖的形式，對(duì)比由此產(chǎn)生的測(cè)距和實(shí)際測(cè)距特性以及相關(guān)的測(cè)距誤差。表4總結(jié)了Gen1系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室250勒克斯環(huán)境光條件下，5米以內(nèi)的性能。
表4. Gen1系統(tǒng)在5 m內(nèi)的性能摘要
圖16. Gen1系統(tǒng)在5 m內(nèi)的基準(zhǔn)性能數(shù)據(jù)
圖17. 用Gen1 Ranging Demonstrator采集的數(shù)據(jù)
2 使用Gen1系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證
用演示器的系統(tǒng)參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行配置，并在與目標(biāo)有相同距離和環(huán)境光的條件下進(jìn)行仿真。然后將仿真結(jié)果與測(cè)距演示器的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，如圖17和圖18所示，具有良好的相關(guān)性。這驗(yàn)證了該模型，并提供了為不同用例設(shè)計(jì)系統(tǒng)的方法。
圖18. MA TLAB模型仿真數(shù)據(jù)
3 將Gen1系統(tǒng)升級(jí)為測(cè)距達(dá)100米的Gen2系統(tǒng)
該模型隨后被用來(lái)開(kāi)發(fā)一套系統(tǒng)參數(shù)，使Gen1系統(tǒng)升級(jí)到能夠達(dá)100米測(cè)距。這升級(jí)系統(tǒng)稱為Gen2系統(tǒng)。這些參數(shù)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(cè)距分辨率，圖21顯示了在整個(gè)10米到100米范圍內(nèi)的測(cè)距，顯示了良好的線性度。表6總結(jié)了相應(yīng)的系統(tǒng)性能。在這個(gè)視頻中可以看到Gen2的運(yùn)行情況。
表5. 第二代升級(jí)版測(cè)距演示系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)
圖19. 使用Gen2系統(tǒng)參數(shù)對(duì)100米遠(yuǎn)的目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距仿真的直方圖
圖20. 在100米處的測(cè)距，使用表5中的Gen2系統(tǒng)參數(shù)和給定的參數(shù)
圖21. 使用Gen2系統(tǒng)參數(shù)仿真對(duì)10米至100米目標(biāo)的測(cè)距數(shù)據(jù)，顯示出良好的線性度
表6. GEN2測(cè)距儀的仿真性能，用于達(dá)100米的測(cè)距(100 KLUX，環(huán)境光，LED，150KHZ)。
更多幫助
1. 測(cè)距演示儀說(shuō)明——本文檔描述了測(cè)距演示儀的規(guī)格和工作。該演示器是個(gè)工程原型。其目的是在測(cè)距應(yīng)用中演示SiPM技術(shù)，并對(duì)將來(lái)設(shè)計(jì)的建模提供回饋。
2. SiPM簡(jiǎn)介——本文檔為剛接觸這種類型傳感器的人介紹了硅光電倍增管的基本概念。
3. 如何評(píng)估和比較SiPM傳感器——本文檔探討了選擇最佳SiPM時(shí)需要考慮的一些主要因素。
4. C-系列數(shù)據(jù)表——本文文件中使用的傳感器數(shù)據(jù)表。
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