【導(dǎo)讀】系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)將根據(jù)特定應(yīng)用的要求而變化。本節(jié)的目的是利用直接ToF測(cè)距系統(tǒng)的模型，證明采集的數(shù)據(jù)是如何受到七個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的影響。也體現(xiàn)與目標(biāo)的距離和環(huán)境光照度的影響。關(guān)鍵點(diǎn)總結(jié)在表2中。以下各節(jié)顯示的直方圖是通過(guò)仿真得到的，可以假定每個(gè)直方圖都包括在單幀中獲得的整個(gè)數(shù)據(jù)集。為了計(jì)算速度，所顯示的直方圖對(duì)應(yīng)于一個(gè)較短的采集時(shí)間。
改變系統(tǒng)變量的影響
系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)將根據(jù)特定應(yīng)用的要求而變化。本節(jié)的目的是利用直接ToF測(cè)距系統(tǒng)的模型，證明采集的數(shù)據(jù)是如何受到七個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的影響。也體現(xiàn)與目標(biāo)的距離和環(huán)境光照度的影響。關(guān)鍵點(diǎn)總結(jié)在表2中。以下各節(jié)顯示的直方圖是通過(guò)仿真得到的，可以假定每個(gè)直方圖都包括在單幀中獲得的整個(gè)數(shù)據(jù)集。為了計(jì)算速度，所顯示的直方圖對(duì)應(yīng)于一個(gè)較短的采集時(shí)間。
1 參考直方圖
圖4顯示了在右側(cè)藍(lán)色呼出框中列出的條件下，通過(guò)仿真得到的參考直方圖。這種配置被用作參考點(diǎn)，以顯示替代系統(tǒng)參數(shù)值的影響。以下分析中所使用的系統(tǒng)參數(shù)是為了提供一個(gè)典型的5米測(cè)距應(yīng)用的參考點(diǎn)。一些參數(shù)的選擇是為了便于仿真和說(shuō)明，而不是為了反映一個(gè)優(yōu)化的設(shè)置。在以下各節(jié)中，只修改了一個(gè)參數(shù)，并重新進(jìn)行了仿真，以說(shuō)明該參數(shù)對(duì)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的影響。
圖4. 參考直方圖
表2. 關(guān)鍵參數(shù)的影響概述
2 激光脈波重復(fù)率
較高的激光脈波重復(fù)率可以提高直方圖的質(zhì)量，因?yàn)樗黾恿藛未螠y(cè)量的次數(shù)，使得在給定的采集時(shí)間內(nèi)可以檢測(cè)到更多返回的激光光子。隨著獲得更多的噪聲計(jì)數(shù)，最大噪聲峰值也會(huì)增加。但是，由于噪聲是不相關(guān)的，總體SNRH增加，如圖5所示?？梢赃x擇的最大激光重復(fù)率有一個(gè)上限，因?yàn)樵撝貜?fù)率限制了可不失真地測(cè)得的目標(biāo)距離。例如，如果300米是最大的測(cè)距目標(biāo)距離，那么可以使用1 MHz的最大重復(fù)率。如果100米是最大的目標(biāo)距離，那么可以使用3 MHz。
3 激光脈波寬度
如圖6所示，較寬的激光脈波寬度會(huì)導(dǎo)致直方圖中較寬的訊號(hào)峰值。對(duì)于方形脈波，有必要對(duì)脈波的前緣進(jìn)行判別，以便只定位探測(cè)到的第一個(gè)光子的飛行時(shí)間。后續(xù)的光子并不攜帶有用的ToF信息。因此，較短的激光脈波是最佳的。然而，是否有合適的激光器可能是實(shí)際設(shè)置中的決定性因素。
圖5. 激光重復(fù)率的影響
圖6. 更寬的激光脈波寬度的影響
4 激光波長(zhǎng)
激光波長(zhǎng)的選擇受到許多因素的影響，包括眼睛安全性和是否有特定波長(zhǎng)的低成本激光器。激光波長(zhǎng)的選擇也會(huì)影響測(cè)距性能，因?yàn)椴煌ㄩL(zhǎng)下太陽(yáng)輻照度和傳感器探測(cè)效率。對(duì)于一個(gè)受太陽(yáng)噪聲影響的系統(tǒng)，可以選擇一個(gè)較長(zhǎng)的波長(zhǎng)，以利用太陽(yáng)輻照度在較長(zhǎng)波長(zhǎng)下相應(yīng)減少。
從圖8中的太陽(yáng)輻照度模型可以看出這種效果。在激光波長(zhǎng)為940納米時(shí)，建模的SiPM的PDE從約1%降低到約0.3%。保持所有其他參數(shù)不變，激光光子和環(huán)境光子的探測(cè)效率都會(huì)降低。對(duì)于這特定的設(shè)置，凈效應(yīng)是由于總計(jì)數(shù)減少而導(dǎo)致SNRH的降低，如圖7所示。當(dāng)然，如果選擇另一種SiPM，在關(guān)注的波長(zhǎng)上具有更好的PDE，那么產(chǎn)生的直方圖訊號(hào)計(jì)數(shù)會(huì)更高，SNRH也會(huì)得到改善。同樣地，其他參數(shù)也可以修改，以補(bǔ)償減少的PDE。
圖7. 增加的波長(zhǎng)對(duì)直方圖的影響
圖8. 太陽(yáng)輻照度模型
5 采集鏡頭光圈
當(dāng)鏡頭光圈擴(kuò)大時(shí)，更多的環(huán)境光子被探測(cè)到，而返回的激光光子數(shù)量保持不變。SiPM現(xiàn)在很容易出現(xiàn)飽和，這一點(diǎn)從圖9中直方圖窗口開始時(shí)的大過(guò)沖可以看出。當(dāng)傳感器飽和時(shí)，激光光子就不能再被SiPM檢測(cè)到，導(dǎo)致訊號(hào)檢測(cè)率降低，整體SNRH降低。
圖9. 增加的采集鏡頭光圈的影響
6 傳感器的視角
傳感器的視角由傳感器的尺寸和采集鏡頭的焦距決定。當(dāng)傳感器的視角增加到20°時(shí)，入射到SiPM上的環(huán)境光會(huì)明顯增多。然后，它變得飽和，以至于系統(tǒng)無(wú)法辨別激光脈波，如圖10中的情況。關(guān)鍵是要限制傳感器的視角，使其只覆蓋激光的范圍，避免這種情況。
圖10. 增加的傳感器視角的影響
7 濾光片帶通
光學(xué)帶通濾波器用于限制由激光波長(zhǎng)范圍以外的光產(chǎn)生的環(huán)境噪聲。在這種情況下，濾光器的帶通范圍是50納米FWHM(全寬半長(zhǎng))。這允許更多波長(zhǎng)的環(huán)境光通過(guò)SiPM，增加了測(cè)量的背景噪聲，惡化了SNRH，如圖11所示。在模型中，激光波長(zhǎng)正好只有905納米，獲得的激光訊號(hào)不受帶通FWHM的影響。在實(shí)際系統(tǒng)中，激光中心波長(zhǎng)可能有比較大的差異，這可能對(duì)帶通濾波器的選擇有影響。
圖11. 更寬的傳感器光學(xué)帶通的影響
8 SiPM微單元尺寸
圖12中的直方圖顯示了MicroFC-10035 SiPM相較MicroFC-10020的仿真性能。主要的影響是，在關(guān)注的波長(zhǎng)處，PDE略有增加，導(dǎo)致訊號(hào)略微提高，而噪聲的相應(yīng)增加較小。在這個(gè)測(cè)距距離和這個(gè)配置下，SiPM的這種變化對(duì)仿真直方圖沒(méi)有顯著影響。
圖12. 改變SiPM微單元尺寸的影響
9 到目標(biāo)的距離
圖13中的圖迭加了距目標(biāo)10米、15米、20米和25米處的直方圖。X軸上的訊號(hào)峰的間距對(duì)應(yīng)于ToF=2*距離/c。隨著距離的增加，從激光器獲得的計(jì)數(shù)減少，因?yàn)閭鞲衅魃系募す夤庾用芏纫?/d2(其中d是傳感器與目標(biāo)的距離)減少，但環(huán)境噪聲保持不變，因?yàn)閺哪繕?biāo)擴(kuò)散回來(lái)的環(huán)境光子數(shù)量不隨距離變化。在30米處，使用這種配置已經(jīng)不可能進(jìn)行測(cè)距了。當(dāng)然，可以對(duì)配置進(jìn)行優(yōu)化，以便在這個(gè)距離上進(jìn)行測(cè)距(參考第15頁(yè)第3節(jié)的測(cè)距演示器建模到100米的設(shè)置，以模擬長(zhǎng)距離的測(cè)距)。
圖13. 增加目標(biāo)距離的影響
10 環(huán)境光
這里的環(huán)境光增加了10倍，達(dá)到100 klux。隨著打到傳感器上的環(huán)境光子數(shù)的增加和所有其他條件保持不變，每一次單次測(cè)量都會(huì)獲得更多的環(huán)境光子。整個(gè)畫面上每倉(cāng)的噪聲計(jì)數(shù)相應(yīng)增加，SNRH受到負(fù)面影響。圖14顯示，10米處的峰值仍可辨認(rèn)，因此在此光照水平下，使用這種配置仍可進(jìn)行測(cè)距，但現(xiàn)在的測(cè)距能力將被降低。相反，在低環(huán)境光下，由于噪聲計(jì)數(shù)較低，SNRH將得到改善。
圖14. 增加環(huán)境光的影響
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