【導讀】第一代測距演示儀(Gen1 Ranging Demonstrator)是個評估系統(tǒng)，用于介紹使用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)是個評估系統(tǒng)，用于介紹使用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(qū)動電路。
● SiPM傳感器和鑒別器電路。
● 基于FPGA的時間-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，激光脈波重復率為150 kHz。激光輸出訊號由一個發(fā)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(zhí)行前緣識別，以及脈波發(fā)生器電路。產(chǎn)生的脈波使用獨立的TDC或基于FPGA的TDC和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行時間標記。采集的數(shù)據(jù)通過高速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(diào)設置可選擇一系列的配置，以優(yōu)化系統(tǒng)用于各種應用。該演示是可攜式的，由一個6 V電源供電。表3列出了Gen1系統(tǒng)參數(shù)的完整列表。
圖15. Gen1測距演示器原理框圖
表3. GEN1系統(tǒng)參數(shù)，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(huán)境光條件的用例。從0米到5米的實際測距數(shù)據(jù)如圖16所示，采用測距數(shù)據(jù)直方圖的形式，對比由此產(chǎn)生的測距和實際測距特性以及相關的測距誤差。表4總結(jié)了Gen1系統(tǒng)在實驗室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)測量結(jié)果對模型進行驗證
用演示器的系統(tǒng)參數(shù)對模型進行配置，并在與目標有相同距離和環(huán)境光的條件下進行仿真。然后將仿真結(jié)果與測距演示器的測量結(jié)果進行比較，如圖17和圖18所示，具有良好的相關性。這驗證了該模型，并提供了為不同用例設計系統(tǒng)的方法。
圖18. MA TLAB模型仿真數(shù)據(jù)
3 將Gen1系統(tǒng)升級為測距達100米的Gen2系統(tǒng)
該模型隨后被用來開發(fā)一套系統(tǒng)參數(shù)，使Gen1系統(tǒng)升級到能夠達100米測距。這升級系統(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米處的仿真測距分辨率，圖21顯示了在整個10米到100米范圍內(nèi)的測距，顯示了良好的線性度。表6總結(jié)了相應的系統(tǒng)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系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)
圖19. 使用Gen2系統(tǒng)參數(shù)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10米至100米目標的測距數(shù)據(jù)，顯示出良好的線性度
表6. GEN2測距儀的仿真性能，用于達100米的測距(100 KLUX，環(huán)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(guī)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(shù)，并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硅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-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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