CN112098980A - 一种gm-apd阵列相机性能指标测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GM‑APD阵列相机性能指标测试装置，包括信号发生单元、激光光源系统(含供电电源)、光束整形系统、暗箱、配有供电单元的待测相机和数据处理单元，所述暗箱提供待测相机测试需要的暗环境，所述光束整形系统和待测相机放置在暗箱内。本发明装置和方法可以对GM‑APD阵列相机暗计数率、探测效率、时间抖动、后脉冲概率等主要性能指标进行测试，通过该方法得到的结果可有效评估激光雷达系统实际使用性能。

Description

一种GM-APD阵列相机性能指标测试装置及方法

技术领域

本发明属于激光雷达成像领域，具体涉及一种GM-APD阵列相机性能指标测试装置及方法。

背景技术

GM-APD阵列相机因其高灵敏度、高集成化、高距离分辨率等优点，近年来在激光雷达领域得到了越来越广泛的应用。GM-APD阵列相机的暗计数率、探测概率、时间抖动、后脉冲概率等主要性能指标直接影响激光雷达的探测距离及探测精度，决定了激光雷达的探测性能的优劣，现如今缺少能够有效测试GM-APD阵列相机的暗计数率、探测概率、时间抖动、后脉冲概率等主要性能指标的装置和方法，无法评估激光雷达实际探测效果。

发明内容

为了有效测试GM-APD阵列相机在激光雷达系统中实际使用模式下的暗计数率、探测概率、时间抖动、后脉冲概率等主要性能指标，评估激光雷达实际探测效果，本发明提供了一种GM-APD阵列相机性能指标测试装置及方法，所述GM-APD阵列相机性能指标测试装置包括信号发生单元、激光光源系统、光束整形系统、暗箱、配有供电单元的待测相机和数据处理单元，所述暗箱提供待测相机测试需要的暗环境，所述光束整形系统和待测相机放置在暗箱内；

所述信号发生单元分别与激光光源系统和配有供电单元的待测相机通讯连接，具体通过BNC线或SMA线连接，所述激光光源系统、光束整形系统、配有供电单元的待测相机顺次光路连接，所述待测相机和数据处理单元通讯连接，具体通过Cameralink线连接；

信号发生单元控制激光光源系统及待测相机时序，精确控制待测相机门控开启时间，确保激光光源系统输出光功率一定的情况下，待测相机计数值最大；激光光源系统为测试装置提供测试光源；光束整形系统对激光光源系统出射激光进行扩束整形，并将激光会聚至待测相机光敏面，所述待测相机采集数据发送到数据处理单元；所述数据处理单元用于待测相机采集数据的后续处理。

进一步地，所述激光光源系统包括脉冲激光器和衰减器，所述脉冲激光器出射的激光入射衰减器衰减激光至需要的功率量级。

进一步地，所述光束整形系统包括扩束镜、凸透镜，所述激光从衰减器射出后顺次入射扩束镜、凸透镜，进行扩束整形，并将扩束整形后的激光会聚至待测相机光敏面。

进一步地，还包括高阶衍射元件，所述高阶衍射元件设置在入射扩束镜与凸透镜之间，所述激光从衰减器射出后顺次入射扩束镜、高阶衍射元件及凸透镜，所述高阶衍射元件根据激光器出射激光的发散角、相机像元尺寸及光敏面参数进行设计，使其分光效果可以达到测试装置的要求。

根据所述GM-APD阵列相机性能指标测试装置进行GM-APD阵列相机性能指标测试的方法，包括以下步骤：

S1、先通过在暗箱内环境内，统计无光条件下各像元每秒的平均计数值N_d，根据下式计算得相机的暗计数率DCR：

DCR＝N_d÷f

其中f为相机帧频；

S2、根据相机灵敏度计算相机最小可探测功率，根据脉冲激光器出光功率，调节衰减器至满足相机最小可探测功率；

S3、调节扩束系统、凸透镜，使激光出射光斑均匀照射在相机光敏面a×b像元上；

S4、通过调节信号发生单元，控制激光器及相机时序，精确控制相机门控开启时间，使相机计数达到最大值；

S5、统计相机每秒单像元累积计数平均值N，通过下式计算单像元探测概率P_a：

可选地，步骤3为调节扩束系统、高阶衍射元件及凸透镜，使激光出射光斑均匀照射在相机光敏面a×b像元上；

再进一步地，还包括以下步骤：

S6、对相同时间入射光子进行多次测量，通过统计输出计数值在时间轴上的分布半高宽，得到相机的时间抖动T。

再进一步地，还包括以下步骤：

S7、统计抖动时间范围内的光子计数值N_photon，利用下式计算后脉冲概率P_af：

通过以上步骤可获得相机的暗计数率、探测概率、时间抖动及后脉冲概率等指标，可通过多次测量求取平均值的方法提高装置的测量精度。

本发明的技术效果体现在：

(1)本发明提出的相机性能指标测试装置及方法，可以对GM-APD阵列相机暗计数率、探测效率、时间抖动、后脉冲概率等主要性能指标进行测试，通过该方法得到的结果可有效评估激光雷达系统实际使用性能；

(2)采用扩束系统、及透镜组合进行激光束的整形，可有效实现激光光斑能量聚焦在相机像面的有效感光面上，提高能量利用率的同时减少系统测试误差；

(3)高阶衍射元件设置在入射扩束镜与凸透镜之间，所述激光从衰减器射出后顺次入射扩束镜、高阶衍射元件及凸透镜，所述高阶衍射元件根据激光器出射激光的发散角、相机像元尺寸及光敏面参数进行设计，使其分光效果可以达到测试装置的要求，可使照射在光敏面的激光光斑均匀性达到90％以上，有效提高各像元测试结果的一致性，可以大幅提高大面阵相机测试精度。

附图说明

图1GM-APD阵列相机性能指标测试装置示意图。

图中1-信号发生单元(图中也表示为信号同步系统)，2-供电电源，3-脉冲激光器，4-衰减器，5-扩束镜，6-高阶衍射元，7-凸透镜，8-暗箱，9-数据处理单元(图中也表示为数据处理系统)，10-待测相机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明的具体实施方式作进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于帮助理解本发明，并不构成对本发明的限定。

本发明提供了一种GM-APD阵列相机性能指标测试装置及方法，所述GM-APD阵列相机性能指标测试装置包括信号发生单元、激光光源系统、光束整形系统、暗箱、配有供电单元的待测相机和数据处理单元，所述暗箱提供待测相机测试需要的暗环境，所述光束整形系统和待测相机放置在暗箱内。其中，信号发生单元、激光光源系统和数据处理单元均配有220V供电电源。

如图1所示，是GM-APD阵列相机性能指标测试装置各系统和单元之间的组成情况。

所述信号发生单元分别与激光光源系统和配有供电单元的待测相机通过BNC线或SMA线连接，所述激光光源系统、光束整形系统、配有供电单元的待测相机顺次光路连接，所述待测相机和数据处理单元通过Cameralink线连接；

信号发生单元控制激光光源系统及待测相机时序，精确控制待测相机门控开启时间，确保激光光源系统输出光功率一定的情况下，待测相机计数值最大；激光光源系统为测试装置提供测试光源；光束整形系统对激光光源系统出射激光进行扩束整形，并将激光会聚至待测相机光敏面，所述待测相机采集数据发送到数据处理单元，采集的数据是计数值，是由于光入射产生的信号在时间轴上分布的计数值；所述数据处理单元用于待测相机采集数据的后续处理。

所述激光光源系统包括脉冲激光器和衰减器，所述脉冲激光器出射的激光入射衰减器衰减激光至需要的功率量级。本发明采用的衰减器，是手持数显可调光衰减器，光通过光纤接口进出衰减器，具有一定的衰减精度，可通过标定，将激光器输出的光准确的衰减到需要的光功率量级。

所述光束整形系统包括扩束镜、高阶衍射元件及凸透镜，所述激光从衰减器射出后顺次入射扩束镜、高阶衍射元件及凸透镜，进行扩束整形，并将扩束整形后的激光会聚至待测相机光敏面。本发明采用的高阶衍射元件，是通过在基片上进行二元多阶刻蚀达到对光束分光的功能，均匀性和透过率达到90％以上，可根据激光器出射的激光参数及相机像元的参数设计高阶衍射元件的参数，使分光效果满足测试装置要求。另一个实施例中没有设置高阶衍射元件。

所述光束整形系统和待测相机放置在暗箱内，所述暗箱提供待测相机测试需要的暗环境。

根据所述GM-APD阵列相机性能指标测试装置进行GM-APD阵列相机性能指标测试的方法，包括以下步骤：

S1、将待测相机放入暗箱内，相机与供电单元、数据处理单元的电源线及信号线连接好，先通过在暗箱内环境内，统计无光条件下各像元每秒的平均计数值N_d，根据下式计算得相机的暗计数率DCR：

DCR＝N_d÷f

其中f为相机帧频；

S2、根据相机灵敏度计算相机最小可探测功率，根据脉冲激光器出光功率，调节衰减器至满足相机最小可探测功率；

S3、以1550nm激光器为例，根据激光器出射光束发散角以及相机占空比，设计扩束系统扩束倍率及高阶衍射元件视场角等参数指标，使其性能达到最佳；实际操作时通过调节光束整形系统，使得出射激光经过扩束系统、高阶衍射元件和凸透镜聚焦后，可使光斑均匀照射在相机光敏面a×b像元上。

S4、通过调节信号发生单元，控制激光器及相机时序，精确控制相机门控开启时间，确保激光器出光功率一定的情况下，每秒钟待测相机计数值最大；

本发明所述的时序控制是对相机和激光器的门控开启时间和激光器出光时间进行控制，相机门控开启时间是在激光器出光时间的基础上加上光传输的时间，但实际情况需要根据测试装置的各器件延时时间设置，所以需要根据具体测试情况先进行设置；

S5、统计相机每秒单像元累积计数平均值N，通过下式计算单像元探测概率P_a：

在相机接收阈值范围内，调节激光器出射功率，计算不同功率下相机探测概率值，为激光雷达系统设计提供指标输入。

S6、对相同时间入射光子进行多次测量，通过统计输出计数值在时间轴上的分布半高宽，得到相机的时间抖动T。

S7、统计抖动时间范围内的光子计数值N_photon，利用下式计算后脉冲概率P_af：

通过以上步骤可获得相机的暗计数率、探测概率、时间抖动及后脉冲概率等指标，可通过多次测量求取平均值的方法提高装置的测量精度。

Claims (7)

1.一种GM-APD阵列相机性能指标测试装置，其特征在于包括信号发生单元、激光光源系统、光束整形系统、暗箱、配有供电单元的待测相机和数据处理单元，所述暗箱提供待测相机测试需要的暗环境，所述光束整形系统和待测相机放置在暗箱内；

所述信号发生单元分别与激光光源系统和配有供电单元的待测相机通讯连接，所述激光光源系统、光束整形系统、配有供电单元的待测相机顺次光路连接，所述待测相机和数据处理单元通讯连接；

信号发生单元控制激光光源系统及待测相机时序，精确控制待测相机门控开启时间，确保激光光源系统输出光功率一定的情况下，待测相机计数值最大；激光光源系统为测试装置提供测试光源；光束整形系统对激光光源系统出射激光进行扩束整形，并将激光会聚至待测相机光敏面，所述待测相机采集数据发送到数据处理单元；所述数据处理单元用于待测相机采集数据的后续处理。

2.根据权利要求1所述的GM-APD阵列相机性能指标测试装置，其特征在于所述激光光源系统包括脉冲激光器和衰减器，所述脉冲激光器出射的激光入射衰减器衰减激光至需要的功率量级。

3.根据权利要求2所述的GM-APD阵列相机性能指标测试装置，其特征在于所述光束整形系统包括扩束镜、凸透镜，所述激光从衰减器射出后顺次入射扩束镜、凸透镜，进行扩束整形，并将扩束整形后的激光会聚至待测相机光敏面。

4.根据权利要求3所述的GM-APD阵列相机性能指标测试装置，其特征在于还包括高阶衍射元件，所述高阶衍射元件设置在入射扩束镜与凸透镜之间，所述激光从衰减器射出后顺次入射扩束镜、高阶衍射元件及凸透镜，所述高阶衍射元件根据激光器出射激光的发散角、相机像元尺寸及光敏面参数进行设计，使其分光效果可以达到测试装置的要求。

5.根据权利要求4所述的测试装置进行GM-APD阵列相机性能指标测试的方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、先通过在暗箱内环境内，统计无光条件下各像元每秒的平均计数值N_d，根据下式计算得相机的暗计数率DCR：

DCR＝N_d÷f

其中f为相机帧频；

S2、根据相机灵敏度计算相机最小可探测功率，根据脉冲激光器出光功率，调节衰减器至满足相机最小可探测功率；

S3、调节扩束系统、凸透镜，使激光出射光斑均匀照射在相机光敏面a×b像元上；

S4、通过调节信号发生单元，控制激光器及相机时序，精确控制相机门控开启时间，使相机计数达到最大值；

S5、统计相机每秒单像元累积计数平均值N，通过下式计算单像元探测概率P_a：

6.根据权利要求5所述的测试装置进行GM-APD阵列相机性能指标测试的方法，其特征在于还包括以下步骤：

S6、对相同时间入射光子进行多次测量，通过统计输出计数值在时间轴上的分布半高宽，得到相机的时间抖动T。

7.根据权利要求6所述的测试装置进行GM-APD阵列相机性能指标测试的方法，其特征在于还包括以下步骤：

S7、统计抖动时间范围内的光子计数值N_photon，利用下式计算后脉冲概率P_af：

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