硅光电倍增管(SiPM)用于直接飞行时间(ToF)测距应用（三）：测距演示仪说明

第一代测距演示仪(Gen1 Ranging Demonstrator)是个评估系统，用于介绍使用SiPM传感器进行直接ToF测距。Gen1的特点是：

图15显示了系统框图。该演示器使用了一个905纳米的激光二极管，脉波宽度为150 ps，激光峰值功率高达2 W，激光脉波重复率为150 kHz。激光输出讯号由一个发散角为0.06°的透镜准直。

在接收器处，反射的讯号通过一个40毫米焦距的采集透镜聚焦到传感器上，该透镜的孔径为11.4毫米。传感器的视角为1.4°。该讯号还被一个FWHM为10纳米的光学带通滤光器过滤。检测讯号链包括SensL MicroFC10020-SMT SiPM、一个增益级和一个高速比较器，执行前缘识别，以及脉波发生器电路。产生的脉波使用独立的TDC或基于FPGA的TDC和数据采集系统进行时间标记。采集的数据通过高速USB链路传输到PC软件。

系统软件从获得的数据中建立直方图，并将其绘制出来进行分析。曲线拟合算法提取ToF，如第6页的测距直方图部分所述。用软件可调设置可选择一系列的配置，以优化系统用于各种应用。该演示是可携式的，由一个6 V电源供电。表3列出了Gen1系统参数的完整列表。

图15. Gen1测距演示器原理框图

表3. GEN1系统参数，传感器与目标的距离达5米

第一代测距演示器的性能已测量了一些有着不同的目标距离和环境光条件的用例。从0米到5米的实际测距数据如图16所示，采用测距数据直方图的形式，对比由此产生的测距和实际测距特性以及相关的测距误差。表4总结了Gen1系统在实验室250勒克斯环境光条件下，5米以内的性能。

表4. Gen1系统在5 m内的性能摘要

图16. Gen1系统在5 m内的基准性能数据

图17. 用Gen1 Ranging Demonstrator采集的数据

用演示器的系统参数对模型进行配置，并在与目标有相同距离和环境光的条件下进行仿真。然后将仿真结果与测距演示器的测量结果进行比较，如图17和图18所示，具有良好的相关性。这验证了该模型，并提供了为不同用例设计系统的方法。

图18. MA TLAB模型仿真数据

该模型随后被用来开发一套系统参数，使Gen1系统升级到能够达100米测距。这升级系统称为Gen2系统。这些参数变化显示在表5中。图19显示了仿真直方图，图20显示了100米处的仿真测距分辨率，图21显示了在整个10米到100米范围内的测距，显示了良好的线性度。表6总结了相应的系统性能。在这个视频中可以看到Gen2的运行情况。

表5. 第二代升级版测距演示系统的系统参数

图19. 使用Gen2系统参数对100米远的目标进行测距仿真的直方图

图20. 在100米处的测距，使用表5中的Gen2系统参数和给定的参数

图21. 使用Gen2系统参数仿真对10米至100米目标的测距数据，显示出良好的线性度

表6. GEN2测距仪的仿真性能，用于达100米的测距(100 KLUX，环境光，LED，150KHZ)。

更多帮助

1. 测距演示仪说明——本文档描述了测距演示仪的规格和工作。该演示器是个工程原型。其目的是在测距应用中演示SiPM技术，并对将来设计的建模提供回馈。

2. SiPM简介——本文档为刚接触这种类型传感器的人介绍了硅光电倍增管的基本概念。

3. 如何评估和比较SiPM传感器——本文档探讨了选择最佳SiPM时需要考虑的一些主要因素。

4. C-系列数据表——本文文件中使用的传感器数据表。

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