CN113841064A - 用于运行光电二极管的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于运行光电二极管的方法(200)包括下述方法步骤：将由恒定的第一电压(300)和具有固定的频率的第二电压(301)之和组成的电压施加到所述光电二极管上，并且检测所述光电二极管的输出信号。随后，求取所述输出信号的光谱组成，并且基于所述光谱组成求取光电二极管的增益(302)的非线性项的至少一个系数。然后，将经匹配的第一电压施加到所述光电二极管上，其中，基于所述系数匹配所述第一电压(300)。第一坐标轴(101)示出施加在光电二极管上的电压，第二坐标轴(102)示出光电二极管的增益。第一特性曲线(103)示出在第一温度的情况下的增益。增益(302)具有包含固定的频率ω0的两倍的项。输出信号(302)还能够具有更高阶的频率分量。所求取的系数允许推断出在当前温度的情况下的增益。如此进行第一电压的匹配，使得增益保持恒定。通过如此调节增益，使得其保持恒定，该光电二极管能够提供特别可靠且可比较的测量数据。如此调节的光电二极管可以是汽车的激光雷达系统的一部分。

Description

用于运行光电二极管的方法
技术领域
本发明涉及一种用于运行光电二极管的方法。
背景技术
雪崩光电二极管(APD)用于探测从红外光谱范围直到伽马射线范围中的电磁辐射。雪崩光电二极管被用于各种领域中，例如用于激光雷达系统、医疗技术和高能物理学中。APD充分利用光电效应，以便由入射的电磁辐射生成电子。初级电子迁移到具有非常高的电场强的区域中，并且在那里通过碰撞电离触发雪崩效应，该雪崩效应构成APD的增益。尤其令人感兴趣的是，在汽车领域中将APD用作用于激光雷达系统的探测器。在此，从发射器发射短的光脉冲到场景中，借助APD记录该短的光脉冲的反射并且通过光的传播时间来确定距离。
增益的温度相关性可能阻碍APD在汽车领域中的可靠的使用。温度的变化对空间电荷区的构造并且对电子占用密度有影响，所述空间电荷区的构造和所述电子占用密度对增益有影响。当对增益的温度相关性的补偿不充分时，APD的信噪比能够明显恶化。典型地，为了进行补偿，能够针对不同的温度匹配在APD上施加的电压(大约～1至1.5V/K)。这一方面需要准确地了解APD的温度，另一方面需要准确地了解APD的温度特性。然而，在真实的应用中能够存在关于APD上的精确的温度的不确定性。附加地可能的是，在不同批次的APD内出现温度特性的变化。因此只能够近似实现对APD的温度特性的补偿。为了将温度效应最小化，对于每个APD，必须根据所施加的电压和温度测量增益。
由EP 1 006 591 A2已知一种用于将偏压(Vorspannung)施加到APD上的偏压电路。温度探测器探测围绕APD的温度。存储器包含对应于在预固定的温度范围中的多个温度的电压数据。根据电压数据调设偏压，以便补偿APD的增益的由温度导致的变化。
由EP 2 056 126 A1公开了一种用于检测在对象上反射的光脉冲的方法。在此，在对象的方向上发射具有已知的强度和持续时间的光脉冲，并且检测该光脉冲的反射信号。放大传感器将反射信号放大。通过受控的方式改变传感器的增益，以便了解在所述检测的每个时间点的增益。
由EP 0 856 943 A2已知一种APD增益控制电路，该APD增益控制电路包括偏压发生器，该偏压发生器用于响应于偏压控制值改变具有可变增益的APD上的偏压，其中，由控制装置产生偏压控制值。该控制装置接收APD的输出信号并且确定用于不同的偏压控制值的系统噪声。将该系统噪声与阈值进行比较，以便求取用于APD的优化增益的优化偏压。
在现有技术中叙述的方法具有如下缺点：根据温度不能够或者只能够不充分地补偿APD的增益的变化。虽然EP 1 006 591 A2描述了一种基于温度测量的温度补偿。然而，所述方法不基于对APD的温度和温度特性的准确了解，因为仅测量APD周围的温度。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种用于运行光电二极管的改进的方法。除此之外，应提供一种用于执行该方法的设备。所述任务通过具有独立权利要求的特征的用于运行光电二极管的方法和用于执行该方法的设备来解决。有利的扩展方案在从属权利要求中给出。
用于运行光电二极管的方法包括下述方法步骤：在第一方法步骤中，将由恒定的第一电压与具有固定的频率的第二电压之和组成的电压施加到光电二极管上。在第二方法步骤中，检测光电二极管的输出信号。在第三方法步骤中，求取输出信号的光谱组成。在第四方法步骤中，基于所述光谱组成求取光电二极管的增益的非线性项的至少一个系数。在第五方法步骤中，将经匹配的第一电压施加到光电二极管上，其中，基于所述系数匹配第一电压。
有利地，能够通过施加经匹配的第一电压补偿增益的由温度改变造成的变化。然而，在此不需要了解光电二极管的温度和/或温度特性。相反，通过在第一方法步骤中施加第二电压，将测试信号施加到光电二极管上，以便确定增益的非线性项的至少一个系数。这能够推断出当前的增益、进而能够实现经匹配的第一电压的施加，以便调节增益，该经匹配的第一电压也能够被称为截止电压。即，所述方法能够实现对光电二极管的增益的监控和调节。
在一种实施方式中，如此进行第一电压的匹配，使得增益保持恒定。有利地，当以恒定的增益运行光电二极管时，光电二极管能够提供特别可靠的测量值。能够在不了解光电二极管的温度和/或温度特性的情况下对增益的温度相关性进行补偿。
在一种实施方式中，在执行所述方法时，入射到光电二极管上的电磁辐射的功率是恒定的。有利地，光电二极管的增益的非线性项的系数的确定不受电磁辐射的入射强度的变化的影响。在一种实施方式中，例如能够通过下述方式来保证这一点：如此选择用于检测输出信号的测量持续时间，使得入射到光电二极管上的电磁辐射的功率在该测量持续时间内是恒定的。在一种替代的实施方式中，在光电二极管的暗阶段(Dunkelphase)中执行所述方法。即，在这种情况下，只有光电二极管的暗电流被放大并且借助于所施加的测试信号调制。
在一种实施方式中，在具有光电二极管的激光雷达系统运行时执行所述方法。在此，在一种实施方式中，能够如此选择激光雷达系统的光脉冲的脉冲频率，使得能够区分输出信号的由于光脉冲造成的变化和输出信号的由于所施加的第二电压造成的变化。有利地，当输出信号的由于所施加的第二电压造成的变化不与输出信号的由于光脉冲造成的变化相叠加时，能够更好地确定增益的非线性项的系数。
原则上，第二电压的频率能够处在宽的频率范围中，例如处在从0Hz至100MHz的频率范围中。在一种实施方式中，第二电压的频率大于激光雷达系统的图像刷新率并且小于激光雷达系统的放大器的带宽的上限频率。在一种实施方式中，第二电压的频率处在100Hz与20MHz之间的范围中。
在一种实施方式中，通过傅里叶分析或者通过解调求取所述光谱组成。有利地，傅里叶分析和解调示出用于求取输出信号的光谱组成的简单方法。
在一种实施方式中，光电二极管是汽车的激光雷达系统的一部分，并且在汽车运行时执行该方法。有利地，激光雷达系统的光电二极管能够在汽车运行时提供可靠的测量数据，因为光电二极管的增益被调节。这能够改进激光雷达系统的效率。在汽车领域中，激光雷达系统例如被用在自主行驶车辆中。
在一种实施方式中，重复所述方法的方法步骤。有利地，通过重复所述方法能够补偿光电二极管的增益的由于快速的温度变化造成的变化。例如，能够以离散的时间间距或者替代地准连续地重复所述方法。
一种用于执行该方法的设备具有带有用于施加电压的连接部的光电二极管、用于检测光电二极管的输出信号的检测装置、用于求取该输出信号的光谱组成的分析装置、用于基于所述光谱组成求取光电二极管的增益的非线性项的至少一个系数的分析处理装置和用于基于该系数匹配第一电压的调节装置。在一种实施方式中，该光电二极管是雪崩光电二极管。
附图说明
结合下文对实施例的描述能够更清楚且更明确地理解本发明的上述特性、特征和优点以及实现这些特性、特征和优点的方式，结合附图更详细地阐述所述实施例。在此，在相应示意图中示出：
图1示出光电二极管的示例性温度特性曲线；
图2示出用于运行该光电二极管的一种方法的方法步骤；
图3示出通过施加具有固定的频率的电压而产生的光电二极管的增益的变化；
图4示出光电二极管的输出信号的频谱；
图5示出用于执行该方法的设备。
具体实施方式
图1示意性示出光电二极管的示例性温度特性曲线。例如，所述光电二极管能够是雪崩光电二极管(APD)。APD充分利用光电效应，以便由入射的电磁辐射产生电子。所述初级电子迁移(wandern)到具有非常高的电场强的区域中，并且在那里通过碰撞电离触发雪崩效应，该雪崩效应构成一种增益。这种形式的增益是内部增益。例如，光电二极管也能够是齐纳二极管，在齐纳二极管的情况下，至少部分地出现雪崩效应，这取决于施加到光电二极管上的电压。
在图1中，第一坐标轴101示出所施加的电压。第二坐标轴102示出光电二极管的增益。示例性地针对四个不同的温度示出增益的相关性。第一特性曲线103示出在第一温度的情况下的增益。第二特性曲线104示出在第二温度的情况下的增益。第三特性曲线105示出在第三温度的情况下的增益。第四特性曲线106示出在第四温度的情况下的增益。如图1所示，在固定的电压107的情况下，对于不同的温度，光电二极管的增益是不同的。除此之外，在图1中，特性曲线103、104、105、106上的切线108表明：对于固定的电压107，特性曲线103、104、105、106具有不同的斜率。此外，对于固定的电压107，特性曲线103、104、105、106的曲率也是不同的。本发明所基于的构思是，如果能够了解特性曲线的曲率，则能够通过温度变化补偿增益的变化，而不需要具有关于光电二极管本身的温度的详细信息。为此，需要表征增益的非线性性能。
为了描述增益的非线性性能，能够在一级近似中借助所施加的电压的线性的和非线性的(二次幂)项来表示该增益：
G(T,U)＝G0(T)U(t)+G1(T)U2(t) (1)
在此，G是增益，T是温度，U是施加到光电二极管上的电压，t是时间，G0是线性项的系数，G1是非线性项的系数。对于所施加的电压U，现在能够施加与时间相关的电压。
U(t)＝U0+UAsin(ω0t) (2)
在此，U0是恒定的第一电压，UA是具有固定的频率ω0的第二电压的幅度。
对于所述增益，由等式(1)和(2)得出：
G(T,U)＝G0(T)U0+G1(T)U0 2+
UAG0sin(ω0t)+2G1(T)U0UAsin(ω0t)+G1(T)UA 2cos(2ω0t)/2(3)
图2示意性示出用于运行光电二极管的方法200的方法步骤201、202、203、204、205。
在第一方法步骤201中，将由恒定的第一电压与具有固定的频率的第二电压之和组成的电压施加到光电二极管上。在第二方法步骤202中，检测光电二极管的输出信号。在第三方法步骤203中，求取输出信号的光谱组成。在第四方法步骤204中，基于所述光谱组成求取光电二极管的增益的非线性项的至少一个系数。在第五方法步骤205中，将经匹配的第一电压施加到光电二极管上，其中，基于所述系数匹配第一电压。可选地，能够重复方法200的方法步骤201、202、203、204、205。
第一电压是也能够被称为截止电压的电压U0。第二电压具有幅度UA和固定的频率ω0。第二电压也能够被称为测试信号。
图3示意性示出通过施加具有固定的频率ω0的第二电压301产生的、光电二极管的增益302的变化。在图3中，第一坐标轴101再次示出所施加的电压。第二坐标轴102示出光电二极管的增益。示例性地，图3仅示出增益的第一特性曲线103。
此外，在图3中示出所施加的第一电压300和所施加的具有幅度UA和固定的频率ω0的第二电压301的时间曲线。伴随着所施加的第二电压301出现增益302的变化。如果在施加测试信号时、即在施加第二电压301时光电二极管例如暴露在具有恒定功率的电磁辐射的入射下，则能够测量输出信号，该输出信号通过变化的增益302同样被改变。例如，所述输出信号能够是光电二极管的光电流。
如根据等式(3)能够看出的那样，增益302具有包含固定的频率ω0的两倍的项。出于这个原因，在第三方法步骤203中，求取输出信号的光谱组成、即频谱。除了固定的频率ω0的两倍之外，输出信号还能够具有更高阶的频率分量。固定的频率ω0的整数的且偶数的倍数是可能的。
图4示出测试信号的和输出信号的示意性频谱。第三坐标轴401示出频率。第四坐标轴402示出单个的频率分量的幅度。即，频谱示例性地是幅度谱。
测试信号的频谱仅具有频率分量403，该频率分量具有固定的频率ω0。输出信号的频率除了具有拥有固定的频率ω0的第一频率分量404之外还具有另外的频率分量405、406、407。第二频率分量405具有频率2ω0。第三频率分量406具有频率4ω0。第四频率分量405具有频率6ω0。输出信号还能够具有固定的频率ω0的别的、整数的且偶数的倍数。
能够通过傅里叶分析或者通过解调来求取光谱组成。在傅里叶分析的情况下，借助于傅立叶变换求取频谱。例如，能够求取包含输出信号的频率分量的幅度的分量的幅度谱。在解调的情况下，求取在固定的频率的情况下的包络线。该频率应对应于第二电压的固定的频率的整数且偶数的倍数。
在图2的方法200的第四方法步骤204中，基于所述光谱组成求取光电二极管的增益的非线性项的至少一个系数。在此，至少求取系数G1。同样能够求取增益的更高阶的项的系数。然而，在下文中仅针对如下情况阐述方法200：仅求取二次幂项的系数G1。能够由第一频率分量404与第二频率分量405的幅度比例求取二次幂项的系数。系数G1允许推断出在当前温度的情况下的增益G。基于增益的非线性项的经求取的系数，现在能够匹配第一电压U0，以便匹配增益G。出于这个原因，在方法200的第五方法步骤205中，将经匹配的第一电压施加到光电二极管上。例如，能够如此进行第一电压的匹配，使得增益保持恒定。通过如此调节增益，使得其保持恒定，该光电二极管能够提供特别可靠且可比较的测量数据。
能够如此执行图2的方法200，使得在执行该方法时，入射到光电二极管上的电磁辐射的功率是恒定的。由此，光电二极管的输出信号不受电磁辐射的入射强度的变化的影响。在一种实施方式中，例如能够通过下述方式来保证这一点：如此选择用于检测输出信号的测量持续时间，使得入射到光电二极管上的电磁辐射的功率在该测量持续时间内是恒定的。替代地，在光电二极管的暗阶段(Dunkelphase)中执行所述方法。即，在这种情况下，只有光电二极管的暗电流被放大并且借助于所施加的测试信号调制。
图5示意性示出用于执行图2的方法200的设备500。
设备500具有带有用于施加电压的连接部的光电二极管501、用于检测光电二极管的输出信号的检测装置502、用于求取该输出信号的光谱组成的分析装置503、用于基于所述光谱组成求取光电二极管的增益的非线性项的至少一个系数的分析处理装置504和用于基于该系数匹配第一电压的调节装置505。在一种实施方式中，该光电二极管是雪崩光电二极管。
在图2的方法200的情况下，检测装置在第二方法步骤202中检测输出信号并且将该输出信号提供给分析装置503。分析装置503求取输出信号的光谱组成并且将经求取的光谱组成提供给分析处理装置504。分析处理装置504求取增益的非线性项的至少一个系数并且将该至少一个系数提供给调节装置505。调节装置505匹配第一电压，该经匹配的第一电压被施加到光电二极管上，以便匹配增益。
例如，设备500能够是激光雷达系统的一部分。图2的方法200也能够在激光雷达系统运行时执行。在此符合目的的是，如此选择激光雷达系统的光脉冲的脉冲频率，使得能够区分输出信号的由于光脉冲造成的变化和输出信号的由于所施加的第二电压造成的变化。
原则上，第二电压的频率能够处在宽的频率范围中，例如处在从0Hz至100MHz的频率范围中。对于激光雷达系统而言符合目的的是，第二电压的频率大于激光雷达系统的图像刷新率(Bildwiederholrate)并且小于激光雷达系统的放大器的带宽的上限频率。例如，第二电压的频率能够处在100Hz与20MHz之间的范围中。例如，第二电压的幅度能够是1V。该值只是表明第二电压的幅度的示例性的数量级，不应限制性地理解。例如，第一电压能够是100V。用于第一电压的示例性列举的100V的值，也应仅表示典型的数量级，不应限制性地理解。
光电二极管也能够是汽车的激光雷达系统的一部分。图2的方法200也能够在汽车运行时执行。同时，该方法也能够在汽车的激光雷达系统运行时执行。有利地，激光雷达系统的光电二极管能够在汽车运行时提供可靠的测量数据，因为光电二极管的增益被调节。

Claims (14)

1.一种用于运行光电二极管(501)的方法(200)，所述方法具有下述步骤：
将以下电压施加到所述光电二极管(501)上：所述电压由恒定的第一电压(300)与具有固定的频率的第二电压(301)之和组成，
检测所述光电二极管(501)的输出信号，
求取所述输出信号的光谱组成，
基于所述光谱组成求取所述光电二极管(501)的增益(302)的非线性项的至少一个系数，
将经匹配的第一电压施加到所述光电二极管(501)上，其中，基于所述系数匹配所述第一电压(300)。
2.根据权利要求1所述的方法(200)，
其中，如此进行所述第一电压(300)的匹配，使得所述增益保持恒定。
3.根据权利要求1或2所述的方法(200)，
在执行所述方法(200)时，入射到所述光电二极管(501)上的电磁辐射的功率是恒定的。
4.根据权利要求3所述的方法(200)，
如此选择用于检测所述输出信号的测量持续时间，使得入射到所述光电二极管(501)上的电磁辐射的功率在所述测量持续时间内是恒定的。
5.根据权利要求3所述的方法(200)，
其中，在所述光电二极管(501)的暗阶段中执行所述方法(200)。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法(200)，
其中，在具有所述光电二极管(501)的激光雷达系统运行时执行所述方法(200)。
7.根据权利要求6所述的方法(200)，
其中，如此选择所述激光雷达系统的光脉冲的脉冲频率，使得能够相互区分所述输出信号的由于所述光脉冲造成的变化和所述输出信号的由于所施加的第二电压(301)造成的变化。
8.根据权利要求6或7所述的方法(200)，
其中，所述第二电压(301)的频率大于所述激光雷达系统的图像刷新率并且小于所述激光雷达系统的放大器的带宽的上限频率。
9.根据权利要求8所述的方法(200)，
其中，所述第二电压(301)的频率处在100Hz与20MHz之间的范围中。
10.根据上述权利要求中任一项所述的方法(200)，
其中，通过傅里叶分析或者通过解调来求取所述光谱组成。
11.根据上述权利要求中任一项所述的方法(200)，
其中，所述光电二极管(501)是汽车的激光雷达系统的一部分，
其中，在所述汽车运行时执行所述方法(200)。
12.根据上述权利要求中任一项所述的方法(200)，
其中，能够重复所述方法(200)的方法步骤(201，202，203，204，205)。
13.一种用于执行根据权利要求1至12中任一项所述的方法(200)的设备(500)，
其中，所述设备(500)具有带有用于施加电压的连接部的光电二极管(501)、用于检测所述光电二极管(501)的输出信号的检测装置(502)、用于求取所述输出信号的光谱组成的分析装置(503)、用于基于所述光谱组成求取所述光电二极管(501)的增益(302)的非线性项的至少一个系数的分析处理装置(504)和用于基于所述系数匹配所述第一电压的调节装置(505)。
14.根据权利要求13所述的设备(500)，
其中，所述光电二极管(501)是雪崩光电二极管。
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