基于硅光电倍增管的快速自适应激光测距系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于硅光电倍增管的快速自适应激光测距系统及方法，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。本发明专利技术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。电压保持恒定。电压保持恒定。

【技术实现步骤摘要】
基于硅光电倍增管的快速自适应激光测距系统及方法


[0001]本专利技术属于激光雷达探测
，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系统及方法。

技术介绍

[0002]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。在激光测距系统中，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。
[0003]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的激光测距系统能够进行实时测量的同时能够提升系统的灵敏度，同时简化系统，对于激光雷达的应用具有重要意义。
[0004]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系统中，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系统。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的在于解决现有测距系统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。
[0006]为了实现本专利技术目的，本专利技术一种基于硅光电倍增管的快速自适应激光测距系统，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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]为了实现本专利技术的目的本专利技术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：
[0012]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；
[0013]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；
[0014]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。
[0015]与现有技术相比，本专利技术的显著进步在于：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系统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。
[0016]为更清楚说明本专利技术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
[0017]此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：
[0018]图1为基于硅光电倍增管的快速自适应激光测距系统的结构示意图；
[0019]图2为硅光电倍增管接收回波信号的示意图；
[0020]图3为信号处理模块的结构示意图；
[0021]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；
[0022]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
[0023]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于硅光电倍增管的快速自适应激光测距系统，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系统，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系统，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王春勇，姜文卓，严伟，吴志祥，纪运景，来建成，李振华，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：