CN112305519B - 基于硅光电倍增管的激光雷达快速探测系统 - Google Patents

基于硅光电倍增管的激光雷达快速探测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于硅光电倍增管的激光雷达快速探测系统，包括数据管理终端、时序控制电路、激光驱动电路、脉冲激光器、发射透镜组件、接收透镜组件、硅光电倍增管、电源模块、温度传感器、放大电路、比较器、数字电位器、基准源、四通道TDC单元及第一处理器；本发明利用脉冲激光器发射激光，并引入硅光电倍增管作为探测器件以具有温度补偿功能的电源模块驱动，配合低噪声的放大电路和比较器以及可进行等效光子阈值调节的第一处理器、数字电位器，从而实现激光雷达的高效快速探测，本发明同时具有单光子灵敏度、线性性高、线性区间大、精度高等优点，特别适用于快速动态目标的实时探测。

Description

基于硅光电倍增管的激光雷达快速探测系统
技术领域
本发明属于激光雷达探测技术领域，特别是一种基于硅光电倍增管的激光雷达快速探测系统。
背景技术
激光雷达具有响应速度快、抗干扰能力强、探测精度高、发散角小等突出优点，在航天、测绘、军事等方面都有着广泛的应用，并且向着小型化，高速化的趋势发展。随着探测领域的不断扩展。对于激光雷达的响应速度提出了更高的要求，由于基于硅光电倍增管的激光雷达具有更高的探测效率和更快的响应速度，有望成为现代激光雷达技术发展方向之一。
中国专利CN201910281397.9公开了一种激光测距装置及激光测距方法，通过处理器、激光控制模块、激光脉冲阵列和达曼光栅，将入射的激光由阵列探测器接收光信号，通过处理器控制电子开关闭合和激光测距电路得到不同区域的目标信息。其缺点在于利用阵列探测器体积较大，不利于小型化集成化，其次使用阵列探测器探测效率和探测速度较慢，并有由于入射激光的后向散射会造成很高的虚警和漏测，不能实现强背景噪声条件下虚警率控制，因此实时性比较差，很难利用到快速动态目标的测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于硅光电倍增管的激光雷达快速探测系统，以提高激光雷达的探测效率和探测精度。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于硅光电倍增管的激光雷达快速探测系统，其特征在于，包括数据管理终端、时序控制电路、激光驱动电路、脉冲激光器、发射透镜组件、接收透镜组件、硅光电倍增管、电源模块、温度传感器、放大电路、比较器、数字电位器、基准源13、四通道TDC单元和第一处理器；
所述的数据管理终端用于存储距离数据并控制整个激光雷达工作；所述时序控制电路用于控制激光器发出脉冲激光并发送开始计时信号给TDC单元；所述激光驱动电路，用于进行电光转换驱动激光器发光；所述发射透镜组件用于整形激光器发出的脉冲激光并出射到被测物体上；所述接收透镜组件用于整形激光回波的光路并将光耦合到硅光电倍增管上；所述电源模块包括第二处理器和DC/DC升压变换电路；所述硅光电倍增管连接有温度传感器，用于实时监测硅光电倍增管的温度，并进行A/D转换到第二处理器；DC/DC升压变换与硅光电倍增管相连，使得硅光电倍增管反向击穿开始探测实现光电转换；所述第二处理器根据硅光电倍增管的温度对比硅光电倍增管的基准源控制DC/DC升压变换电路控制输出电压；所述的放大电路用于放大模拟输出信号；所述的比较器根据数字电位器的电平将放大的模拟信号转换为数字信号并发送停止计时信号给四通道TDC单元；所述基准源与数字电位器相连，用于提供一个光电子的幅度；所述第一处理器与数字电位器、数据管理终端和四通道TDC单元相连，数字电位器通过第一处理器控制，并且第一处理器将四通道TDC单元得到的激光的时间延时经过处理后传输给数据管理终端。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)本发明中的探测组件使用硅光电倍增管(SiPM)巧妙得将传统盖革模式APD的单光子灵敏度和线性APD的线性特性结合起来，使得整个系统同时具备线性特性和单光子灵敏度。
(2)接收透镜组件将回波耦合到硅光电倍增管(SiPM)上，可以实现大视场探测同时探测到光子均匀分布到硅光电倍增管(SiPM)上，使得线性区间更大，从而可以实现微弱光到强光的探测。
(3)电源模块引入了温度补偿，有效的抑制了由于温度变化而导致的增益漂移的问题，提高了激光雷达的稳定性。
(4)硅光电倍增管较其他传统探测器具有单光子分辨能力，通过等效光子阈值调节能有效的去除噪声，从而提高激光雷达的信噪比。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于硅光电倍增管的激光雷达快速探测系统的结构示意图。
图2为本发明的四通道TDC单元的原理图。
图3为本发明接收端探测器驱动电路原理图。
图4为本发明接收透镜组件的光路图。
图5为本发明实施例提供的基于硅光电倍增管的激光雷达快速探测系统探测率仿真曲线。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1，本发明的一种基于硅光电倍增管的激光雷达快速探测系统，包括数据管理终端1、时序控制电路2、激光驱动电路3、脉冲激光器4、发射透镜组件5、接收透镜组件6、硅光电倍增管(SiPM)7、电源模块、温度传感器8、放大电路11、比较器12、数字电位器14、基准源13、四通道TDC单元15和第一处理器16。
所述的数据管理终端1与时序控制电路2相连，用于存储距离数据并控制整个激光雷达工作；所述时序控制电路2与激光驱动电路3和四通道TDC单元15相连，用于控制激光器发出脉冲激光并发送开始计时信号(Start信号)给TDC单元；所述激光驱动电路3与脉冲激光器4相连，用于进行电光转换驱动激光器发光；所述发射透镜组件5用于整形激光器发出的脉冲激光并出射到被测物体上；所述接收透镜组件6用于整形激光回波的光路并将光耦合到硅光电倍增管(SiPM)7上；所述电源模块包括第二处理器9和DC/DC升压变换电路10；温度传感器8与硅光电倍增管(SiPM)7相连，用于实时监测硅光电倍增管(SiPM)7的温度，并进行A/D转换到第二处理器9；DC/DC升压变换电路10与硅光电倍增管(SiPM)7相连，使得硅光电倍增管(SiPM)7反向击穿开始探测实现光电转换；所述的放大电路11与硅光电倍增管(SiPM)7相连，用于放大模拟输出信号；所述的比较器12与数字电位器14和四通道TDC单元15相连，比较器12根据数字电位器14的电平将放大的模拟信号转换为数字信号并发送停止计时信号(Stop信号)给四通道TDC单元15。所述基准源13与数字电位器14相连，用于提供一个光电子的幅度；所述第一处理器16与数字电位器14、数据管理终端1和四通道TDC单元15相连，数字电位器可以通过第一处理器控制，并且第一处理器16将四通道TDC单元15得到的激光的时间延时经过处理后传输给数据管理终端1。
进一步的，电源模块是一种具有温度补偿功能电源模块，其具体的工作过程是，温度传感器通过检测硅光电倍增管(SiPM)7所处的环境温度，进行数模转换传输到第二处理器9上。与硅光电倍增管(SiPM)7的基准源进行对比，具体的基准源为当环境温度为20℃基准电压为25V。当环境温度过高时，击穿电压越高，当工作电压一定时其过电压越小，会导致探测效率降低。为了维持恒定的过电压，第二处理器9会控制DC/DC升压变换电路10进行升压，从而保持恒定的过电压，通过此方式实现对输出电压的控制。
进一步的，第一处理器16功能主要包括对四通道TDC单元15的时间信号进行处理，数据传输以及控制数字电位器14的等效光子阈值幅度；
所述第一处理器16对四通道TDC单元15的时间信号进行处理主要是将时间信号转换为距离数据，其具体的转换关系如公式(1)：
Figure BDA0002731106970000041
其中，r表示目标距离，c为光速取3×108m/s，t为四通道TDC单元的延迟时间。
所述数据传输通过USART串口通信传输到数据管理终端1进行实时显示和数据存储。
所述第一处理器16控制数字电位器14调节等效光子阈值幅度，基准源的幅度即为单个光电子的幅度，数据管理终端1通过第一处理器控制数字电位器确定一个或几个光电子幅度的阈值电平连接比较器，从而实现等效光子阈值幅度的控制。提高等效光子阈值幅度会更多的过滤掉噪声信号，提高信噪比。
进一步的，硅光电倍增管(SiPM)7的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。多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。
进一步的，四通道TDC单元15为FPGA扩展口，其工作原理如图2所示，时序控制电路给出Start信号，精密时间测量阵列开始工作同时使能数据存储器，待探测到硅光电倍增管(SiPM)7的数字信号，四通道TDC单元15给出Stop信号经过预处理模块使得精密时间测量阵列停止计时，得到的时间延时，经过数据缓冲器和编码器由FIFO数据存储器存储，再通过TCP协议进行数据传输。
进一步的，电源模块、放大电路11和比较器12共同构成硅光电倍增管(SiPM)7的驱动电路，具体工作过程如下：
如图3所示，为本发明接收端探测器驱动电路原理图，硅光电倍增管(SiPM)7的偏置电源需要接正电压，经过跨阻放大器TIA后，输出端输出信号为负脉冲。通过调节电阻RF和匹配电容CF来控制输出信号放大倍数，增大电阻RF即可增加放大倍数，输出信号幅值增大。
所述的DC/DC升压变换10基准电压选用25V。
所述的放大电路11为双电源供电，供电电压为±5V，电阻RF取910Ω，电容CF取0.5pF。
所述的比较器12采用MAX962EUA型比较器，其具有响应速度快，传输延迟低等突出优点。
进一步的，硅光电倍增管(SiPM)7的感光面积为3mm×3mm。感光面积大，需要设计特殊的接收透镜来耦合回波激光。
如图4所示，为本发明接收透镜组件的光路图，从接收到耦合探测方向依次是弯月正透镜、准直镜和弯月负透镜，激光探测到物体时激光回波被被测物体反射经过弯月正透镜汇聚到准直镜上，准直后的激光回波通过弯月负透镜扩束耦合到硅光电倍增管(SiPM)7的感光面上。这一设计有效的过滤了背景光噪声，并将硅光电倍增管(SiPM)7的大感光面充分的利用起来，有利于激光雷达实现大角度探测。
本实施例基于硅光电倍增管的激光雷达，工作过程具体包括如下步骤：
步骤一、激光雷达出射端：通过数据管理终端启动时序控制电路，时序控制电路通过驱动激光器驱动电路让脉冲激光器产生激光。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2给出开始计时信号使得四通道TDC单元15同步开始计时。
步骤二、激光雷达接收端：激光照射到被测物体后，激光回波通过接收透镜组件6整形，耦合到硅光电倍增管(SiPM)7上，在高压电源作用下反偏产生微弱的光子脉冲，经过低噪声的放大电路把信号放大，之后信号经过比较器12进行整形与甄别，甄别出有效的光子信号，滤除被硅光电倍增管(SiPM)7探测到的背景光噪声信号，并整理成为TTL信号进行信号输出并给出结束计时信号使得四通道TDC单元15结束计时。
步骤三、激光雷达测距数据处理：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，通过对比四通道TDC单元15的开始计时和结束计时之间的时间延时，将数据传输给第一处理器16经过数据处理得到目标距离位置，最后通过SPI口向数据管理终端传输数据。
进一步的，所述的激光雷达接收端的硅光电倍增管具有高探测率，假设等效光子阈值为0.5p.e.，其探测率计算公式如下：
PD＝(e-n)αM-1·(1-e-s)
其中，PD代表激光雷达的探测率，n代表背景光噪声光子数，s代表激光回波的信号光子数，αM代表信号光子在门控时间中的选通位置。
如图5所示，为本发明实施例提供的基于硅光电倍增管的激光雷达快速探测系统探测率仿真曲线。背景光噪声水平设置为106cps，硅光电倍增管(SiPM)7的探测率总是随着单脉冲平均信号光子数的提高而上升，硅光电倍增管(SiPM)7的探测率在当信号光子数s＞6，探测率水平PD＞99.5％，体现了基于硅光电倍增管的激光雷达的探测率高。

Claims (7)

1.一种基于硅光电倍增管的激光雷达快速探测系统，其特征在于，包括数据管理终端、时序控制电路、激光驱动电路、脉冲激光器、发射透镜组件、接收透镜组件、硅光电倍增管、电源模块、温度传感器、放大电路、比较器、数字电位器、基准源13、四通道TDC单元和第一处理器；
所述的数据管理终端用于存储距离数据并控制整个激光雷达工作；所述时序控制电路用于控制激光器发出脉冲激光并发送开始计时信号给TDC单元；所述激光驱动电路，用于进行电光转换驱动激光器发光；所述发射透镜组件用于整形激光器发出的脉冲激光并出射到被测物体上；所述接收透镜组件用于整形激光回波的光路并将光耦合到硅光电倍增管上；所述电源模块包括第二处理器和DC/DC升压变换电路；所述硅光电倍增管连接有温度传感器，用于实时监测硅光电倍增管的温度，并进行A/D转换到第二处理器；DC/DC升压变换与硅光电倍增管相连，使得硅光电倍增管反向击穿开始探测实现光电转换；所述第二处理器根据硅光电倍增管的温度对比硅光电倍增管的基准源控制DC/DC升压变换电路控制输出电压；所述的放大电路用于放大模拟输出信号；所述的比较器根据数字电位器的电平将放大的模拟信号转换为数字信号并发送停止计时信号给四通道TDC单元；所述基准源与数字电位器相连，用于提供一个光电子的幅度；所述第一处理器与数字电位器、数据管理终端和四通道TDC单元相连，数字电位器通过第一处理器控制，并且第一处理器将四通道TDC单元得到的激光的时间延时经过处理后传输给数据管理终端。
2.根据权利要求1所述的探测系统，其特征在于，所述第一处理器对四通道TDC单元15的时间信号进行处理主要是将时间信号转换为距离数据。
3.根据权利要求1所述的探测系统，其特征在于，所述第一处理器对数字电位器进行控制，调节输入到比较器的阈值电平。
4.根据权利要求1所述的探测系统，其特征在于，所述硅光电倍增管(SiPM)7的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；多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。
5.根据权利要求1所述的探测系统，其特征在于，所述四通道TDC单元为FPGA扩展口，时序控制电路给出Start信号，精密时间测量阵列开始工作同时使能数据存储器，待探测到硅光电倍增管的数字信号，四通道TDC单元给出Stop信号经过预处理模块使得精密时间测量阵列停止计时，得到的时间延时，经过数据缓冲器和编码器由FIFO 数据存储器存储，再通过TCP协议进行数据传输。
6.根据权利要求1所述的探测系统，其特征在于，所述接收透镜组件从接收到耦合探测方向依次是弯月正透镜、准直镜和弯月负透镜，激光探测到物体时激光回波被被测物体反射经过弯月正透镜汇聚到准直镜上，准直后的激光回波通过弯月负透镜扩束耦合到硅光电倍增管的感光面上。
7.根据权利要求1-6任一项所述的探测系统，其特征在于，其工作过程为：
步骤一、激光雷达出射端：通过数据管理终端启动时序控制电路，时序控制电路通过驱动激光器驱动电路让脉冲激光器产生激光； 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得四通道TDC单元同步开始计时；
步骤二、激光雷达接收端：激光照射到被测物体后，激光回波通过接收透镜组件整形，耦合到硅光电倍增管上，在高压电源作用下反偏产生微弱的光子脉冲，经过低噪声的放大电路把信号放大，之后信号经过比较器进行整形与甄别，甄别出有效的光子信号，滤除被硅光电倍增管探测到的背景光噪声信号，并整理成为TTL信号进行信号输出并给出结束计时信号使得四通道TDC单元结束计时；
步骤三、激光雷达测距数据处理：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，通过对比四通道TDC单元的开始计时和结束计时之间的时间延时，将数据传输给第一处理器经过数据处理得到目标距离位置，最后通过SPI口向数据管理终端传输数据。
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