CN221078944U - 一种基于Si-APD的测距装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供了一种基于Si‑APD的测距装置，包括：Si‑APD；偏置电路，所述偏置电路连接于所述Si‑APD，所述偏置电路的偏置电压提供一个高压Vout，所述偏置电压加到所述Si‑APD的两极，其中所述偏置电压的正电压加到所述Si‑APD的负极，所述偏置电压的负电压加到所述Si‑APD的正极；飞行时间测量电路，所述飞行时间测量电路连接于所述Si‑APD，光源发射的红外脉冲波碰上障碍物后产生反射波，所述反射波进入到所述Si‑APD引起雪崩击穿，生成一个电信号脉冲并输入到所述飞行时间测量电路中，所述飞行时间测量电路通过对所述Si‑APD输出的脉冲信号取样并测量后计算得出飞行时间；控制电路，将所述飞行时间数据传输至所述控制电路，所述控制电路对所述飞行时间数据进行处理，输出操作指令。

Description

一种基于Si-APD的测距装置
技术领域
本实用新型涉及测距装置领域，更具体的说是，涉及一种基于Si-APD的测距装置。
背景技术
近年来，各类智能机器人的渗透率持续上升，产品智能化程度不断提升，使用体验增强，随着科技水平的不断提升，消费者对智能机器人功能和性能要求越来越高，智能机器人的避障功能是最重要的一项，而避障功能是基础是对障碍物的精确测距技术。
目前的距离探测技术最常使用的方法为飞行时间测距法(Time of flight，TOF)，其原理是通过给目标物连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离。
与本实用新型最相近的方案为DTOF技术，在TOF技术中直接对光飞行时间进行测量的技术被称为DTOF(direct-TOF)，DTOF的测距原理是：光源发射具有一定脉宽的脉冲激光，脉冲激光经过探测目标反射后，返回照射到SPAD(单光子雪崩光电二极管)阵列，当加载在SPAD的偏置电压超过其击穿电压时，SPAD工作区域进入到盖革(Geiger)模式，其增益可以近似认为为无限大，入射光子可以触发雪崩倍增过程产生较强的光电流脉冲；SPAD的增益可达百万倍，可实现单光子的检测，探测灵敏度高。
但在较短距离信息获取应用中，DTOF存在的问题是：由于SPAD雪崩效应一崩到底，需要加入猝灭电路，利用电子降低SPAD两端电压使其退出盖革模式，然后再回到盖革模式并等到新一轮光子输入激发，这个时间段为死区时间，在死区时间内即使有新光子的输入也无法检测到。在探测较短的距离时，脉冲频率非常高，死区时间很难控制。
DTOF技术面临的另一个问题自然光干扰，尤其是强烈自然光干扰下，由于日光是连续光谱，几乎涵盖了所有的工作波长，这就有可能使SPAD进入死区时间，引起测距失效，实际应用中，即使加入了滤光片，也无法完全消除这种光干扰。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种基于Si-APD的测距装置。
本实用新型要解决的是现有技术中存在的问题。
与现有技术相比，本实用新型技术方案及其有益效果如下：
一种基于Si-APD的测距装置，包括：Si-APD；偏置电路，所述偏置电路连接于所述Si-APD，所述偏置电路的偏置电压提供一个高压Vout，所述偏置电压加到所述Si-APD的两极，其中所述偏置电压的正电压加到所述Si-APD的负极，所述偏置电压的负电压加到所述Si-APD的正极；飞行时间测量电路，所述飞行时间测量电路连接于所述Si-APD，光源发射的红外脉冲波碰上障碍物后产生反射波，所述反射波进入到所述Si-APD引起雪崩击穿，生成一个电信号脉冲并输入到所述飞行时间测量电路中，所述飞行时间测量电路通过对所述Si-APD输出的脉冲信号取样并测量后计算得出飞行时间；控制电路，所述控制电路连接于所述飞行时间测量电路，将所述飞行时间数据传输至所述控制电路，所述控制电路对所述飞行时间数据进行处理，输出操作指令。
作为进一步改进的，所述偏置电路包括：电容C1的正极连接于电压输入端VIN，所述电容C1的负极接地，PWM控制器的V+端连接于所述电容C1的正极，电感L1的一端连接于所述PWM控制器的V+端，所述电感L1的另一端连接于二极管D的正极，所述二极管D的负极连接于电压输入端VOUT端，电容C4的正极连接于所述二极管D的正极，所述电容C4的负极接地；MOS管N的栅极连接于所述PWM控制器的EXT端，所述MOS管N的漏极连接于二极管D的正极，所述MOS管N的源极连接于所述PWM控制器的CS端，电流感测电阻RSENSE的一端连接于所述PWM控制器的CS端，所述电流感测电阻RSENSE的另一端连接于所述PWM控制器的FB端，所述PWM控制器的FB端接地；电阻R2的一端连接于所述PWM控制器的FB端，所述电阻R2的另一端连接于电压输入端VOUT端；所述电阻R1的一端连接于所述电阻R2的一端，所述电阻R1的另一端连接于所述PWM控制器的GND端，所述PWM控制器的GND端接地，所述PWM控制器的AGND端连接于所述PWM控制器的GND端，所述PWM控制器的SHDN端连接于所述PWM控制器的AGND端。
作为进一步改进的，电压输入端VIN的值为5V-24V；PWM控制器电路产生一个脉冲信号，对电感L1充放电抬升输出电压VOUT至需要的高压，输出电压VOUT由VFB和电阻R1、R2决定，其中VFB为PWM控制器内部产生的基准电压：VOUT＝VFB*(R2/R1+1)。
作为进一步改进的，所述电容C1、电容C4为有极性电容；所述二极管D为稳压二极管。
作为进一步改进的，所述飞行时间测量电路为MS1022电路。
作为进一步改进的，所述光源为红外脉冲，脉冲频率范围为1Mhz-1Ghz，所述光源的波长范围为850nm-1000nm。
本实用新型的有益效果为：
本方案适用于短距离探测应用领域如智能机器人的测距和避障，采用Si-APD、偏置电路、飞行时间测量电路和控制电路之间的结合，具备成本较低、抗环境光干扰和环境温度干扰能力强的特点。
附图说明
图1是背景技术的APD的工作区域划分示意图。
图2是本实用新型实施例提供的一种基于Si-APD的测距装置的示意图。
图3是本实用新型实施例提供的Si-APD结构及电场分布示意图。
图4是本实用新型实施例提供的偏置电路示意图。
具体实施方式
为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参照图1至图4所示，一种基于Si-APD的测距装置，包括：Si-APD；偏置电路，所述偏置电路连接于所述Si-APD，所述偏置电路的偏置电压提供一个高压Vout，所述偏置电压加到所述Si-APD的两极，其中所述偏置电压的正电压加到所述Si-APD的负极，所述偏置电压的负电压加到所述Si-APD的正极；飞行时间测量电路，所述飞行时间测量电路连接于所述Si-APD，光源发射的红外脉冲波碰上障碍物后产生反射波，所述反射波进入到所述Si-APD引起雪崩击穿，生成一个电信号脉冲并输入到所述飞行时间测量电路中，所述飞行时间测量电路通过对所述Si-APD输出的脉冲信号取样并测量后计算得出飞行时间；控制电路，所述控制电路连接于所述飞行时间测量电路，将所述飞行时间数据传输至所述控制电路，所述控制电路对所述飞行时间数据进行处理，输出操作指令。
Si-APD采用的是硅材料，硅材料的本征特性决定了APD的敏感波长范围850nm-1000nm，APD的反向击穿电压(Break Down Voltage)为90V-120V。
对应Si-APD的敏感光谱范围，采用的光源的波长范围也必须是850nm-1000nm，本方案主要是测量较短距离，光子的飞行时间非常短，需要很高的工作频率才能降低测量误差；因此，本方案中，所述光源为红外脉冲，脉冲频率范围为1Mhz-1Ghz，所述光源的波长范围为850nm-1000nm。
参照图4所示，所述偏置电路包括：电容C1的正极连接于电压输入端VIN，所述电容C1的负极接地，PWM控制器的V+端连接于所述电容C1的正极，电感L1的一端连接于所述PWM控制器的V+端，所述电感L1的另一端连接于二极管D的正极，所述二极管D的负极连接于电压输入端VOUT端，电容C4的正极连接于所述二极管D的正极，所述电容C4的负极接地；MOS管N的栅极连接于所述PWM控制器的EXT端，所述MOS管N的漏极连接于二极管D的正极，所述MOS管N的源极连接于所述PWM控制器的CS端，电流感测电阻RSENSE的一端连接于所述PWM控制器的CS端，所述电流感测电阻RSENSE的另一端连接于所述PWM控制器的FB端，所述PWM控制器的FB端接地；电阻R2的一端连接于所述PWM控制器的FB端，所述电阻R2的另一端连接于电压输入端VOUT端；所述电阻R1的一端连接于所述电阻R2的一端，所述电阻R1的另一端连接于所述PWM控制器的GND端，所述PWM控制器的GND端接地，所述PWM控制器的AGND端连接于所述PWM控制器的GND端，所述PWM控制器的SHDN端连接于所述PWM控制器的AGND端。
参照图1和3所示，偏置电路的偏置电压提供一个高压Vout加到APD的两极，其中正电压加到APD的负极，负电压加到APD的正极，Vs要产生碰撞电离所需的最小场强，这样当APD接收到光子脉冲时，才能发生雪崩击穿，理论值V大于0.9*VBD(VBD为APD的雪崩击穿电压)时，APD开始进入线性工作区，继续加大APD的反偏电压至无限接近VBD，APD进入盖革工作模式，由于盖革工作模式下，短距离测距存在光干扰问题及温度特性差的问题，因此本方案中，APD的偏置电压设定为0.9*VBD，偏置电压保证APD能工作在线性工作区，线性工作区区的优点：一是避免出现饱和现象，器件的带宽宽，也就是工作频率高，在短距离测量场合，工作频率越高测量误差越小；二是受自然光和环境温度干扰程度轻，特别是在强烈环境光下，不会出现误操作；
雪崩击穿电压VBD的特征值由衬底材料和工艺流程决定，本方案采用的是Si衬底材料，VBD为90V-130V；
偏置电路是一个升压结构的模块，如图4所示，偏置电路包含一个PWM控制器IC，典型的如MAX1771、MAX1932、MAX5026等，电压输入端VIN的值为5V-24V；
PWM控制器电路产生一个脉冲信号，对电感L1充放电抬升输出电压VOUT至需要的高压，输出电压VOUT由VFB和电阻R1、R2决定，其中VFB为PWM控制器内部产生的基准电压：
VOUT＝VFB*(R2/R1+1)。
所述电容C1、电容C4为有极性电容；所述二极管D为稳压二极管。
光源发射的红外脉冲波碰上障碍物后，反射波进入到APD，引起雪崩击穿，生成一个电信号脉冲，输入到飞行时间测量电路，飞行时间电路内部集成了模拟比较器、模拟开关、施密特触发器等器件，通过对APD输出的脉冲信号取样、测量，计算得出飞行时间。所述飞行时间测量电路为MS1022电路。
本方案中，控制电路选用的是32位MCU电路。
以上实施例仅用以解释说明本实用新型的技术方案而非对其限制。本领域技术人员应当理解，未脱离本实用新型精神和范围的任何修改和等同替换，均应落入本实用新型权利要求的保护范围中。

Claims (6)

1.一种基于Si-APD的测距装置，其特征在于，包括：
Si-APD；
偏置电路，所述偏置电路连接于所述Si-APD，所述偏置电路的偏置电压提供一个高压Vout，所述偏置电压加到所述Si-APD的两极，其中所述偏置电压的正电压加到所述Si-APD的负极，所述偏置电压的负电压加到所述Si-APD的正极；
飞行时间测量电路，所述飞行时间测量电路连接于所述Si-APD，光源发射的红外脉冲波碰上障碍物后产生反射波，所述反射波进入到所述Si-APD引起雪崩击穿，生成一个电信号脉冲并输入到所述飞行时间测量电路中，所述飞行时间测量电路通过对所述Si-APD输出的脉冲信号取样并测量后计算得出飞行时间；
控制电路，所述控制电路连接于所述飞行时间测量电路，将所述飞行时间数据传输至所述控制电路，所述控制电路对所述飞行时间数据进行处理，输出操作指令。
2.根据权利要求1所述的一种基于Si-APD的测距装置，其特征在于，所述偏置电路包括：
电容C1的正极连接于电压输入端VIN，所述电容C1的负极接地，PWM控制器的V+端连接于所述电容C1的正极，电感L1的一端连接于所述PWM控制器的V+端，所述电感L1的另一端连接于二极管D的正极，所述二极管D的负极连接于电压输入端VOUT端，电容C4的正极连接于所述二极管D的正极，所述电容C4的负极接地；MOS管N的栅极连接于所述PWM控制器的EXT端，所述MOS管N的漏极连接于二极管D的正极，所述MOS管N的源极连接于所述PWM控制器的CS端，电流感测电阻RSENSE的一端连接于所述PWM控制器的CS端，所述电流感测电阻RSENSE的另一端连接于所述PWM控制器的FB端，所述PWM控制器的FB端接地；电阻R2的一端连接于所述PWM控制器的FB端，所述电阻R2的另一端连接于电压输入端VOUT端；所述电阻R1的一端连接于所述电阻R2的一端，所述电阻R1的另一端连接于所述PWM控制器的GND端，所述PWM控制器的GND端接地，所述PWM控制器的AGND端连接于所述PWM控制器的GND端，所述PWM控制器的SHDN端连接于所述PWM控制器的AGND端。
3.根据权利要求2所述的一种基于Si-APD的测距装置，其特征在于，电压输入端VIN的值为5V-24V；
PWM控制器电路产生一个脉冲信号，对电感L1充放电抬升输出电压VOUT至需要的高压，输出电压VOUT由VFB和电阻R1、R2决定，其中VFB为PWM控制器内部产生的基准电压：
VOUT＝VFB*(R2/R1+1)。
4.根据权利要求2所述的一种基于Si-APD的测距装置，其特征在于，所述电容C1、电容C4为有极性电容；所述二极管D为稳压二极管。
5.根据权利要求1所述的一种基于Si-APD的测距装置，其特征在于，所述飞行时间测量电路为MS1022电路。
6.根据权利要求1所述的一种基于Si-APD的测距装置，其特征在于，所述光源为红外脉冲，脉冲频率范围为1Mhz-1Ghz，所述光源的波长范围为850nm-1000nm。
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