DE112021007600T5

DE112021007600T5 - Verfahren zum messen des reflexionsvermögens eines ziels unter verwendung eines lidars und lidar

Info

Publication number: DE112021007600T5
Application number: DE112021007600.0T
Authority: DE
Inventors: Tianjian Hu; Jie Chen; Jie Kuang; Li Li; Yanfang Li; Yizun Wang; Shaoqing Xiang
Original assignee: Hesai Technology Co Ltd
Current assignee: Hesai Technology Co Ltd
Priority date: 2021-04-29
Filing date: 2021-12-15
Publication date: 2024-02-22
Also published as: JP2024516265A; US20240061091A1; CN112986951A; KR20240004697A; EP4332616A1; WO2022227608A1; CN112986951B

Abstract

Ein Verfahren (10) zum Messen des Reflexionsvermögens eines Ziels unter Verwendung eines Lidars (100) umfasst: S101: ein Detektor des Lidars (100) empfängt ein Echo, das durch Reflexion eines Detektionsstrahls an dem Ziel erzeugt wird, und wandelt es in ein elektrisches Signal um, um ein Echo-Photostromintegral zu ermitteln; S102: das Reflexionsvermögen des Ziels wird basierend auf einer voreingestellten Reflexionskalibrierungskurve und dem Echo-Photostromintegral bestimmt. Es wird ein Verfahren zum Messen der Reflexion an einem Ziel durch Photostromintegration bereitgestellt, das auf der Langzeitakkumulation des Photonenantwortstroms durch eine Silizium-Photomultiplier-Röhre basiert. Verglichen mit dem Verfahren zum Messen des Reflexionsvermögens durch Messen von Kurzzeitechosignalen wie Impulsbreite und Vorderflankensteigung weist das bereitgestellte Verfahren eine hohe Genauigkeit, eine hohe Messgenauigkeit und einen großen Dynamikbereich auf.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das technische Gebiet der Laserdetektion und insbesondere auf ein Verfahren zum Messen des Reflexionsvermögens eines Ziels unter Verwendung eines Lidars.
STAND DER TECHNIK
Ein Lidar emittiert einen Detektionslichtimpuls durch einen Laser, wandelt den vom Ziel reflektierten Echo-Impuls durch einen Photodetektor in einen Echo-Impuls um, berechnet die Flugzeit des Lichts (Time of Flight, ToF) basierend auf der Sendezeit des Detektionslichtimpulses und der Empfangszeit des Echo-Impulses und kennt die Zielentfernung in Kombination mit der Lichtgeschwindigkeit. Darüber hinaus wird die Echolichtintensität basierend auf den Signaleigenschaften des elektrischen Echo-Impulses charakterisiert, und das Reflexionsvermögen des Ziels wird gemäß der Echolichtintensität und der äquivalenten emittierten Lichtintensität nach der Abstandsdämpfung berechnet.
Herkömmliche Photodetektoren sind Lawinen-Photodioden (Avalanche Photon Diode, APD), und die photoelektrische Verstärkung von APD ist gering, was der Ferndetektion von Radar nicht förderlich ist; Um die Detektionsdistanz zu erhöhen, ist es notwendig, den Durchmesser der Empfangslinse zu erhöhen, um das Volumen des Lidars zu erhöhen, und das System muss mit einer Verstärkungsschaltung mit hoher Bandbreite für jeden Detektor ausgestattet sein, um das elektrische Impulssignal zu verstärken, was zu einer Erhöhung des Volumens, des Stromverbrauchs und der Kosten des Lidars führt.
Photodioden, die im Geiger-Modus arbeiten, verwenden einen Lawinenentladungsmechanismus, der als Single Photon Avalanche Diode (Single Photon Avalanche Diode, SPAD) bezeichnet wird, um eine hohe Verstärkung zu erzielen. Wenn die umgekehrte Vorspannung ihre Nenndurchschlagsspannung überschreitet, wird der notwendige hohe elektrische Feldgradient auf dem PN-Übergang erzeugt. Wenn ein Photon in den SPAD einfällt, löst der photonenangeregte Träger einen Lawineneffekt unter Einwirkung eines elektrischen Feldes aus. Sobald dieser Strom jedoch aktiviert oder fließt, sollte er anhalten oder „erlöschen“. Die Lawine wird gestoppt, indem die Spannung über der Diode durch Löschwiderstände unter die Durchbruchspannung abgesenkt wird. SPAD wird dann auf eine umgekehrte Vorspannung aufgeladen, die die Durchbruchspannung überschreitet, und wird verwendet, um nachfolgende Photonen zu detektieren. SPAD reagiert nicht auf nachfolgende Photonen in der Zeit, in der SPAD eine Lawine erzeugt, bis sie zu einer umgekehrten Vorspannung zurückkehrt, die die Durchbruchspannung überschreitet.
Um den Nachteil zu überwinden, dass ein einzelner SPAD nicht mehrere Photonen gleichzeitig messen kann, integriert die Silizium-Photomultiplier-Röhre (SiPM) ein dichtes Array kleiner unabhängiger SPAD-Sensoren, von denen jeder seinen eigenen Löschwiderstand hat und jeder unabhängig arbeitende SPAD und Löschwiderstand als Mikroeinheit bezeichnet wird. Wenn eine Mikroeinheit in SiPM auf ein absorbiertes Photon reagiert, haben die anderen Mikroeinheiten immer noch die Fähigkeit, Photonen zu detektieren.
SiPM hat eine extrem hohe photoelektrische Verstärkung (Größenordnung 10⁶), die eine Echoenergiedetektion auf nW-Ebene ermöglicht, während APD eine Echoenergie auf mW-Ebene benötigt, um eine effektive Detektion durchzuführen. Im Vergleich zu APD kann die Verwendung von SiPM als Photodetektor den Stromverbrauch von Lidar effektiv reduzieren. Darüber hinaus kann SiPM durch den CMOS-Prozess hergestellt werden, der die Anwendung von Chips und die Integration erleichtert, das Radarvolumen reduziert und die Installations- und Einstelleffizienz verbessert, die für die Massenproduktion in großem Maßstab geeignet ist.
Lidar, das SiPM als Detektor verwendet, verwendet üblicherweise die Vörderflankensteigung und die Impulsbreite des elektrischen Echo-Impulses als Signaleigenschaften für die Reflexionsmessung. SiPM weist jedoch starke statistische Fluktuationen und nichtlineare Eigenschaften für das Antwortsignal des Photonenstroms auf. Für die Echoenergie der gleichen Intensität können die Signaleigenschaften zufälligen Jitter aufweisen, so dass die Messgenauigkeit des Reflexionsvermögens gering ist; Darüber hinaus ist die Anzahl der Mikroeinheiten von SiPM begrenzt. Bei starkem Licht werden fast alle Mikroeinheiten, die anfällig für SiPM sind, während der Wiederherstellungszeit (mehr als ein Dutzend Nanosekunden) ausgelöst, um den Detektor zu sättigen. Zu diesem Zeitpunkt ändern sich die Eigenschaften des Echosignals kaum mehr mit dem Reflexionsvermögen des Ziels, so dass der Messdynamikbereich des Reflexionsvermögens klein ist. Daher stehen SiPM-basierte Vorrichtungen vor dem Problem der geringen Genauigkeit und des kleinen Dynamikbereichs bei der Messung des Reflexionsvermögens, was zu einem der Haupthindernisse für die Anwendung von SiPM in Lidar-Produkten geworden ist.
Der Inhalt des technischen Hintergrunds stellt nur eine Technologie dar, die dem Anmelder bekannt ist und natürlich nicht den Stand der Technik auf diesem Gebiet darstellt.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Im Hinblick auf mindestens einen Nachteil des Standes der Technik stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Messen des Reflexionsvermögens eines Ziels unter Verwendung eines Lidars bereit, das Folgendes umfasst:

S101: ein Detektor des Lidars empfängt ein Echo, das durch Reflexion eines Detektionsstrahls an dem Ziel erzeugt wird, und wandelt es in ein elektrisches Signal um, um ein Echo-Photostromintegral zu ermitteln;
S102: das Reflexionsvermögen des Ziels wird basierend auf einer voreingestellten Reflexionskalibrierungskurve und dem Echo-Photostromintegral bestimmt.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass Schritt S101 ferner Folgendes umfasst:

das elektrische Signal wird innerhalb einer ersten voreingestellten Zeit integriert, um ein erstes Photostromintegral zu ermitteln, das dem elektrischen Signal entspricht.

ein zweites Photostromintegral, das dem Umgebungslicht entspricht, wird ermittelt, und die Differenz zwischen dem ersten Photostromintegral und dem zweiten Photostromintegral wird als das Echo-Photostromintegral verwendet.

der Detektor empfängt Umgebungslicht und wandelt es in ein elektrisches Signal um;
das elektrische Signal, das durch das Umgebungslicht erzeugt wird, wird innerhalb einer zweiten voreingestellten Zeit integriert, um das zweite Photostromintegral zu ermitteln.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste voreingestellte Zeit nicht kleiner ist als die Gesamtzeit, zu der der Detektor eine Messung durchführt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass der Detektor eine Silizium-Photomultiplier-Röhre ist, wobei das elektrische Signal ein elektrisches Signal ist, das von der Silizium-Photomultiplier-Röhrenanode ausgegeben wird.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass das Lidar den Zielabstand basierend auf der Sendezeit des Detektionsstrahls und der Empfangszeit des Echos bestimmt, wobei der Schritt S102 ferner Folgendes umfasst:

das Reflexionsvermögen des Ziels wird basierend auf einer voreingestellten Kalibrierungskurve des Reflexionsvermögens, des Photostromintegrals und des Zielabstands und dem Echo-Photostromintegral bestimmt.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass Schritt S102 ferner Folgendes umfasst:

gemäß der voreingestellten Kalibrierungskurve des Photostromintegrals und des Zielabstands, die einer Vielzahl von vorbestimmten Reflexionen entspricht, wird das Reflexionsvermögen des Ziels, das dem Echo-Photostromintegral entspricht, durch ein Interpolationsverfahren berechnet.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass das Echo eine Vielzahl von Lichtimpulsen enthält und der Detektor die mehreren Lichtimpulsen in mehrere elektrische Impulsen umwandelt, wobei das Echo-Photostromintegral ein kumulatives Integral der mehreren elektrischen Impulse ist.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst das Verfahren ferner Folgendes:

die Temperatur des Lidardetektors wird ermittelt, und das Echo-Photostromintegral wird in ein Echo-Photostromintegral bei einer äquivalenten Kalibrierungstemperatur umgewandelt.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst das Verfahren ferner Folgendes:

wenn das zweite Photostromintegral größer als ein voreingestellter Schwellenwert ist, wird das Echo-Photostromintegral in ein Echo-Photostromintegral unter äquivalenter Kalibrierung-PDE umgewandelt.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst dass das Lidar eine Vielzahl von Detektoren umfasst, wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst:

die Kalibrierungskurven des Reflexionsvermögens, des Photostromintegrals und des Zielabstands, die jedem Detektor entsprechen, werden jeweils eingestellt.

Die vorliegende Erfindung stellt ferner ein Lidar bereit, das Folgendes umfasst:

eine Sendeeinheit, die konfiguriert ist, um einen Detektionsstrahl zum Erfassen des Ziels zu emittieren;
eine Empfangseinheit, die mindestens einen Detektor umfass und konfiguriert ist, um ein optisches Signal zu empfangen und das optische Signal in ein elektrisches Signal umzuwandeln;
eine Verarbeitungseinheit, die konfiguriert ist, um ein Echo-Photostromintegral zu ermitteln, das dem Echo entspricht, das durch Reflexion des Detektionsstrahls an dem Ziel erzeugt wird, und das Reflexionsvermögen des Ziels gemäß einer voreingestellten Reflexionsvermögenskalibrierungskurve und dem Echo-Photostromintegral zu bestimmen.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass das Lidar ferner Folgendes umfasst:

eine Integraleinheit, die mit dem Detektor gekoppelt und konfiguriert ist, um das elektrische Signal innerhalb einer voreingestellten Zeit zu integrieren.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass der Detektor eine Silizium-Photomultiplier-Röhre ist, die mit der Anode des Detektors gekoppelt ist.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass die Integraleinheit eine RC-Integralschaltung enthält.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass die Integraleinheit ferner einen Operationsverstärker enthält, wobei die RC-Integralschaltung mit einem ersten Eingangsende des Operationsverstärkers gekoppelt ist; wobei ein Ausgangsende des Operationsverstärkers über einen Widerstand mit einem zweiten Eingangsende des Operationsverstärkers gekoppelt ist.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass das Lidar ferner Folgendes umfasst:

eine Abtasteinheit, die mit der Integraleinheit gekoppelt und konfiguriert ist, um die Ausgabe der Integraleinheit abzutasten.

eine Temperaturerfassungseinheit zum Erfassen der Temperatur des Detektors.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zum Messen der Reflexion eines Ziels durch Photostromintegration bereit, das auf der Langzeitakkumulation des Photonenantwortstroms durch einen Photodetektor basiert. Verglichen mit dem Verfahren zum Messen des Reflexionsvermögens durch Messen von Signalmerkmalen wie Echo-Impulsspitzenintensität, Impulsbreite und Vorderflankensteigung im Stand der Technik weist das Verfahren, das durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird, einen geringen Stromverbrauch, eine hohe Genauigkeit, eine hohe Messgenauigkeit und einen großen Dynamikbereich auf. Insbesondere kann es die nachteiligen Auswirkungen von Defekten wie zufälligem Jitter, Nichtlinearität, leichter Sättigung und kleinem Dynamikbereich von elektrischen Echo-Impulssignaleigenschaften auf die Reflexionsvermögensmessung überwinden und spielt eine gute Rolle bei der Förderung der breiten Anwendung von Silizium-Photomultiplier-Röhrenvorrichtungen auf dem Gebiet des Lidars.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die beiliegenden Zeichnungen dienen zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und stellen eine Bestandteil der Beschreibung dar, wobei sie zusammen mit den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen einer Erläuterung der Erfindung dienen, ohne die Erfindung einzuschränken. Darin zeigen

1 schematisch die innere Struktur einer Silizium-Photomultiplier-Röhre;
2 schematisch eine Ausgangssignalwellenform eines schnellen Ausgangsanschlusses einer Silizium-Photomultiplier-Röhre;
3 ein Verfahren zum Messen des Reflexionsvermögens eines Ziels unter Verwendung eines Lidars gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 schematisch eine Kalibrierungskurve eines voreingestellten Reflexionsvermögens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 schematisch den Fall, in dem die Detektionseffizienz der Silizium-Photomultiplier-Röhre unter starkem Umgebungslicht abnimmt;
6A ein Kalibrierungsverfahren für ein voreingestelltes Reflexionsvermögen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6B schematisch die zugehörige Vorrichtung, die in dem Kalibrierungsverfahren von 6A verwendet wird;
7 schematisch ein Lidar gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8A schematisch eine Integrationsschaltung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8B schematisch die Ausgangswellenform der Integralschaltung von 8A.

KONKRETE AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden nur einige beispielhafte Ausführungsbeispiele kurz beschrieben. Wie der Fachmann erkennen kann, können die beschriebenen Ausführungsbeispiele auf verschiedene Arten modifiziert werden, ohne vom Geist oder Umfang der Erfindung abzuweichen. Daher gelten die Zeichnungen und Beschreibungen als im Wesentlichen beispielhaft und nicht einschränkend.
Es versteht sich in der Beschreibung der vorliegenden Erfindung, dass die Begriffe „mittig“, „Längsrichtung“, „Querrichtung“, „Länge“, „Breite“, „Dicke“, „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „links“, „rechts“, „vertikal“, „horizontal“, „oberste“, „unterste“, „innen“, „außen“, „Uhrzeigersinn“, „Gegenuhrzeigersinn“ usw. jeweils in Bezug auf die dargestellte Richtungs- oder Positionsbeziehung in der jeweiligen Abbildung verwendet werden, um lediglich die Erfindung zu schildern und ggf. die Schilderung zu vereinfachen. Mit anderen Worten wird mit diesen Begriffen weder im- noch explizit auf die Positionierung sowie die Ausgestaltung und Bedienung der betreffenden Vorrichtung oder des betreffenden Elements in einer vorbestimmten Positionierung hingedeutet, so dass auch hier keine Einschränkung der Erfindung vorliegt. Des Weiteren ist darauf hinzuweisen, dass die Begriffe „erste“ und „zweite“ nicht als im- oder expliziter Hinweis auf die relative Wichtigkeit oder auf die Anzahl des betroffenen Merkmals verstanden werden sollten. Stattdessen dienen diese lediglich der Beschreibung. Somit kann ein mit „erst“ oder „zweit“ genauer bestimmtes Merkmal explizit oder implizit darauf hinweisen, dass ein oder mehr derartige Merkmale umfasst sind. In der Beschreibung der vorliegenden Erfindung bezieht sich der Begriff „mehrere“ auf eine Anzahl von zwei oder mehr, sofern nicht anders angegeben.
Bei der Beschreibung der vorliegenden Erfindung sollen die Begriffe „anbringen“, „miteinander verbunden“, „verbinden“ o. dgl., soweit nicht ausdrücklich anders angegeben, im weiteren Sinne verstanden werden. So kann es sich dabei z.B. sowohl um eine feste, eine lösbare oder eine einteilige Verbindung als auch um eine mechanische und auch eine elektrische Verbindung oder eine Kommunikationsmöglichkeit handeln. Zudem sind auch direkte Verbindungen, indirekte bzw. über ein Zwischenstück hergestellte Verbindungen wie auch innere Verbindungen zweier Elemente oder gegenseitige Wirkungen zweier Elemente denkbar. Als Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet kann man von der Sachlage ausgehen, um zu ermitteln, welche Bedeutung die genannten Begriffe gemäß der vorliegenden Erfindung haben sollen.
In der vorliegenden Erfindung kann bei einem ersten Merkmal, das „oberhalb“ oder „unterhalb“ eines zweiten Merkmals angeordnet ist, sofern nicht ausdrücklich anderes angegeben und definiert ist, der Fall sein, dass das erste Merkmal direkt das zweite Merkmal berührt, oder dass das erste und das zweite Merkmal ohne direkten Kontakt über ein dazwischen angeordnetes weiteres Merkmal in Berührung stehen. Darüber hinaus kann bei dem ersten Merkmal, das „auf“, „über“ dem zweiten Merkmal und „oberhalb“ des zweiten Merkmals angeordnet ist, u.a. der Fall sein, dass das erste Merkmal direkt über und schräg über dem zweiten Merkmal liegt, oder dass die horizontale Höhenstellung des ersten Merkmals höher ist als die des zweiten Merkmals. Bei dem ersten Merkmal, das „unter“ dem zweiten Merkmal und „unterhalb“ des zweiten Merkmals angeordnet ist, kann u.a. der Fall sein, dass das erste Merkmal direkt unter und schräg unter dem zweiten Merkmal liegt, oder dass die horizontale Höhenstellung des ersten Merkmals tiefer ist als die des zweiten Merkmals.
Die nachfolgende Offenbarung stellt zahlreiche unterschiedliche Ausführungsformen oder Beispiele zum Verwirklichen der verschiedenen Strukturen der Erfindung bereit. Zum Vereinfachen der Offenbarung der Erfindung werden nachfolgend die Teile und die Anordnung bestimmter Beispiele erläutert. Es versteht sich, dass diese lediglich als Beispiele dienen, ohne die Erfindung einzuschränken. Des Weiteren können bei verschiedenen Beispielen der Erfindung wiederholte Bezugszeichen in Form von Nummern und/oder Buchstaben zugunsten der Einfachheit und der Klarheit verwendet werden, ohne auf jegliche Beziehungen zwischen den einzelnen Ausführungsformen und/oder Anordnungen, die hier erläutert werden, hinzuweisen. Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung Beispiele für bestimmte Verfahren und Materialien bereit. Jedoch versteht es sich für Durchschnittsfachleute auf diesem Gebiet, dass auch andere Verfahren und/oder Materialien verwendet werden können.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es versteht sich, dass die beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele lediglich zur Beschreibung und Erklärung der vorliegenden Erfindung dienen, ohne diese einzuschränken.
Wie in 1 gezeigt, enthält SiPM eine Vielzahl von Lawinen-Photodioden und den Lawinen-Photodioden eineindeutig zugeordnet damit gekoppelte Löschschaltung (gezeigt als Löschwiderstand), einer Lawinen-Photodiode und einer Löschschaltung als Mikroeinheit, bilden eine Vielzahl von Mikroeinheiten parallel SiPM.
Einige SiPM-Geräte haben neben Kathoden und Anoden auch einen dritten Ausgangsanschluss (schnelle Ausgabe, Fast Output, nicht in der Abbildung gezeigt), jede Mikroeinheit hat einen kapazitiven gekoppelten Ausgang und alle Mikroeinheiten eines SiPM sind parallel zu Fast-Output gekoppelt. Schnelle Ausgangsimpulse ermöglichen ultraschnelle Zeitmessungen.
2 zeigt eine typische Wellenform eines elektrischen Impulssignals, das nach dem Empfang eines optischen Impulses von SiPM in ein elektrisches Impulssignal umgewandelt wird, das am Ende der schnellen Ausgabe (Fast Output) gemessen wird und mehrere Messungen in der gleichen Entfernung für das gleiche Ziel durchführt, wobei jede Messung verschiedenen Echoenergieintensitäten entspricht und die entsprechende Signalwellenformverteilung der schnellen Ausgabe von SiPM in 2 gezeigt ist. Wenn die Intensität der Echoenergie zunimmt, nimmt die Intensität des schnellen Ausgangsimpulses zu und die Steigung der Vorderkante nimmt zu. Unter Verwendung der Ordinate 20 als Rauschschwelle unterscheidet sich für elektrische Impulse, die durch Echos unterschiedlicher Energieintensitäten erzeugt werden, die Zeit, in der die Vorderkante die Rauschschwelle erreicht, um 350 ps.
Es wurden jedoch mehrere Messungen an Signalen der gleichen Intensität durchgeführt, Datenberechnungen und Statistiken durchgeführt, und es wurde festgestellt, dass es einen zufälligen Jitter von einigen Pikosekunden bis zu mehr als einer Nanosekunde in der Vorderflankensteigung des elektrischen Impulses gab, da der Photonenfluss der Poisson-Verteilung entsprach und es ein optisches Übersprechen zwischen den Mikroeinheiten von SiPM gab. Die Bodenbreite des Echosignals (die Zeitbreite, in der die Signalamplitude größer als Null ist) beträgt nur wenige Nanosekunden, so dass ein solcher zufälliger Jitter nicht ignoriert werden kann, was die Genauigkeit der Reflexionsmessung gering macht.
Auf der anderen Seite ändern sich die Eigenschaften des elektrischen Echo-Impulses nicht monoton, wenn sich die Signalstärke ändert. Wenn die Echoenergieintensität niedrig ist, nimmt die Steigung der elektrischen Impulsfront mit zunehmender Energieintensität zu; Wenn jedoch die Echoenergieintensität hoch ist, werden die meisten Mikroeinheiten der Silizium-Photomultiplier-Röhre in kurzer Zeit ausgelöst und können während der Impulszeit nicht wiederhergestellt werden, so dass sich die Steigung der Echo-Pulsfront nicht mehr mit der Echoenergieintensität ändert und sogar die Steigung der Vorderkante abnimmt. Zu diesem Zeitpunkt sind die elektrischen Echo-Impulscharakteristiken nicht einwertig (eine elektrische Echo-Impulscharakteristik entspricht mehr als zwei Echoenergieintensität), und die Änderung der Echoenergie kann nicht charakterisiert werden, und die Silizium-Photomultiplier-Röhre erreicht die Grenze des dynamischen Bereichs. Da die Anzahl der Mikroeinheiten der Silizium-Photomultiplier-Röhre begrenzt ist (Hunderte), ist es sehr anfällig für Empfangssättigung, so dass der dynamische Bereich der Echo-Impulscharakteristik, der die Energie charakterisiert, klein ist, so dass der dynamische Bereich der Reflexionsmessung klein ist.
Um das technische Problem zu lösen, dass die Eigenschaften des elektrischen Impulssignals, mit dem das Reflexionsvermögen des Lidars basierend auf der Silizium-Photomultiplier-Röhre gemessen wird, einen großen zufälligen Jitter und einen kleinen dynamischen Bereich aufweisen, schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Kalibrierung und Messung des Reflexionsvermögens basierend auf dem Photostromintegral der Silizium-Photomultiplier-Röhre vor.
Wie in 3 gezeigt, stellt die vorliegende Erfindung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Verfahren 10 zum Messen des Reflexionsvermögens eines Ziels unter Verwendung eines Lidars bereit, das die Schritte S101 und S102 umfasst.
S101: ein Detektor des Lidars empfängt ein Echo, das durch Reflexion eines Detektionsstrahls an dem Ziel erzeugt wird, und wandelt es in ein elektrisches Signal um, um ein Echo-Photostromintegral zu ermitteln;
In einer Lidar-Anwendung, die auf einer ToF-Messung basiert, kann der Detektionsstrahl einen oder mehrere Lichtimpulse umfassen, wobei das Echolichtsignal ein oder mehrere Lichtimpulse ist, die dem Detektionsstrahl entsprechen, und der Photodetektor wandelt ihn als Reaktion auf den Lichtimpuls in ein elektrisches Signal um, das einen oder mehrere entsprechende elektrische Impulse erzeugt. Der elektrische Impuls kann als eine Kurve der Amplitude des elektrischen Signals mit der Zeit ausgedrückt werden, und das Echo-Photostromintegral kann durch die Fläche ausgedrückt werden, die von der obigen elektrischen Impulssignalkurve abgedeckt wird, und kann verwendet werden, um die Echoenergieintensität zu charakterisieren.
S102: das Reflexionsvermögen des Ziels wird basierend auf einer voreingestellten Reflexionskalibrierungskurve und dem Echo-Photostromintegral bestimmt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Übereinstimmung zwischen der Zieldistanz und dem Echo-Photostromintegral für ein reflektierendes Ziel voreingestellt. Ferner wird für die Ziele mit unterschiedlichen Reflexionsgraden die Übereinstimmung zwischen der Zielentfernung und dem Echo-Photostromintegral erhalten, und die obige Übereinstimmung wird in der Verarbeitungseinheit des Lidars gespeichert, und die Verarbeitungseinheit kann das Reflexionsvermögen des Ziels gemäß dem Echo-Photostromintegral bestimmen, das durch die tatsächliche Detektion erhalten wird, und der voreingestellten Reflexionskalibrierungskurve.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Übereinstimmung zwischen der Zielentfernung und dem Echo-Photostromintegral als Kalibrierungskurve angepasst werden. Wie in 4 gezeigt, werden der Zielabstand und die Echo-Photostromintegralkalibrierungskurve, die den drei verschiedenen Reflexionszielen entsprechen, voreingestellt.
Mit dem Verfahren 10 zum Messen des Reflexionsvermögens des Ziels unter Verwendung von Lidar wird durch Ermitteln des Echo-Photostromintegrals das Reflexionsvermögens des Ziels gemessen. Es gibt keinen zufälligen Jitter im Echo-Photostromintegral, der die Echoenergieintensität genau widerspiegeln kann, wodurch die Genauigkeit der Reflexionsmessung verbessert wird; Und das Echo-Photostromintegral ist einwertig: Wenn sich die Echoenergieintensität monoton ändert, wird der dynamische Bereich der Reflexionsmessung verbessert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst Schritt S101 in dem Verfahren 10 zum Messen des Reflexionsvermögens eines Ziels unter Verwendung eines Lidars ferner:

Das Detektorausgangssignal des Lidars wird innerhalb der ersten voreingestellten Zeit integriert, um ein erstes Photostromintegral zu erhalten, das dem elektrischen Signal entspricht.

Das vom Detektor ausgegebene elektrische Signal wird in der ersten voreingestellten Zeit integriert, und der Bereich, der von der Kurve der Amplitude des vom Detektor ausgegebenen elektrischen Signals mit der Zeit abgedeckt wird, kann erhalten werden, und die Energieintensität des vom Detektor ausgegebenen elektrischen Signals kann charakterisiert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst Schritt S101 in dem Verfahren 10 zum Messen des Reflexionsvermögens eines Ziels unter Verwendung eines Lidars ferner: Das zweite Photostromintegral, das dem Umgebungslicht entspricht, wird erhalten, und die Differenz zwischen dem ersten Photostromintegral und dem zweiten Photostromintegral wird als das Echo-Photostromintegral
Der Detektor des Lidars wandelt das empfangene optische Signal in ein elektrisches Signal um und erhält durch Integration tatsächlich ein Photostromintegral, das der Summe des Echolichtsignals und des Umgebungslichtsignals entspricht (als erstes Photostromintegral aufgezeichnet). Da das Photostromintegral, das dem optischen Echosignal entspricht, schwer direkt zu messen ist und das Umgebungslicht in kurzer Zeit stabil ist und das Photostromintegral, das dem optischen Umgebungssignal entspricht, im Wesentlichen pro Zeiteinheit konstant bleibt, wird durch weitere Messung das Photostromintegral entsprechend dem optischen Umgebungssignal (als zweites Photostromintegral bezeichnet) erhalten, und das Echo-Photostromintegral entsprechend dem optischen Echosignal wird durch Differenz erhalten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst Schritt S101 in dem Verfahren 10 zum Messen des Reflexionsvermögens eines Ziels unter Verwendung eines Lidars ferner:

Ferner enthält das erste Photostromintegral eine elektrische Signalinformation, die durch das Echo erzeugt wird, das durch das Ziel reflektiert wird, und eine elektrische Signalinformation, die durch das Umgebungslicht auf dem Photodetektor erzeugt wird; Das zweite Photostromintegral wird nur durch das elektrische Signal erhalten, das von Umgebungslicht auf dem Photodetektor erzeugt wird. Daher kann die Differenz zwischen dem ersten Photostromintegral und dem zweiten Photostromintegral die Intensität des elektrischen Signals, das durch das optische Echosignal erzeugt wird, genau charakterisieren und den Einfluss des Umgebungslichts eliminieren.
Als eine Ausführungsform ist das Zeitintervall der ersten voreingestellten Zeit nicht kleiner als die Gesamtzeit, zu der der Detektor eine Messung durchführt. Oder mindestens ein Laser des Lidars emittiert Detektionslicht zur Detektion, und mindestens ein Detektor ist konfiguriert, um ein Echo zu empfangen, das von dem Ziel reflektiert wird, und der mindestens eine Laser und mindestens ein Detektor bilden einen Detektionskanal des Lidars. Das Zeitintervall der ersten voreingestellten Zeit ist nicht kleiner als die Gesamtzeit der Messung eines Erfassungskanals.
Insbesondere empfängt der Detektor während der Gesamtzeit der Messung eines Detektionskanals des Lidars ein optisches Signal und wandelt es in ein elektrisches Signal um, wobei das optische Signal ein echooptisches Signal und ein optisches Umgebungssignal umfasst, und die Integrationsschaltung gibt das Integral des elektrischen Signals in der Gesamtzeit der Messung aus, d.h. das erste Photostromintegral. Die Gesamtzeit der Messung kann die reservierte ToF-Zeit des Detektionskanals, die Gesamtimpulsbreite der Vielzahl von Lichtimpulsen und die Summe der Zeitintervalle zwischen den mehreren Lichtimpulsen umfassen. Die ToF-Zeit ist reserviert, und nachdem das Detektionslicht für den Laser des Detektionskanals emittiert wurde, entspricht es der Flugzeit der am weitesten entfernten Zieldetektionsdistanz des Radars. Zum Beispiel umfasst das von einem Detektionskanal emittierte Detektionslicht drei Lichtimpulse mit einer Impulsbreite von jeweils 4 ns, einem Zeitintervall zwischen den benachbarten zwei Lichtimpulsen von 100 ns und einer reservierten ToF-Zeit von 400 ns, dann ist das erste voreingestellte Zeitintervall ≥ (400 + 3 * 4 + 2 * 100) ns.
Zusätzlich zu der Gesamtzeit der Messung eines Detektionskanals erzeugt SiPM immer noch einen schwachen Photostrom unter der Wirkung von Umgebungslicht. Zu diesem Zeitpunkt integriert die Integralschaltung das photoelektrische Umgebungssignal in der zweiten voreingestellten Zeit, um ein zweites Photostromintegral zu erhalten.
Vorzugsweise ist die erste voreingestellte Zeit ähnlich dem Zeitintervall der zweiten voreingestellten Zeit. Vorzugsweise liegt das Zeitintervall zwischen der ersten voreingestellten Zeit und der zweiten voreingestellten Zeit in der Größenordnung von 100 ns.
In der Ausführungsform, in der SiPM als Detektor verwendet wird, ist das Photostromintegral das zeitliche Integral des Photostroms, der von der Anode von SiPM ausgegeben wird. Obwohl Fast Output ultraschnelle Zeitmessungen durchführen kann, filtert es mehr Informationen aus und eignet sich nicht zur Messung der Echoenergieintensität. Das zeitliche Integral des von der SiPM-Anode ausgegebenen Photostroms nimmt mit der Zunahme der Echoenergieintensität zu, was die Größe der Echoenergieintensität genau widerspiegeln kann, was vorteilhaft ist, um hochpräzise Reflexionsmessergebnisse zu erhalten.
Als eine andere Ausführungsform wird gemäß der Signalverarbeitung des Lidars, wenn ein Echosignal als ein von dem Ziel reflektiertes Echo beurteilt wird und dementsprechend die Zielabstandsinformation erhalten wird (z. B. wenn die Echosignalintensität die Rauschschwelle überschreitet), die erste voreingestellte Zeit, die der Echosignalempfangszeit entspricht, als das erste Photostromintegral integriert. In einem Zeitbereich außerhalb der Echosignalempfangszeit wird das Integral der Integrationsschaltung in der zweiten voreingestellten Zeit erhalten, um ein zweites Photostromintegral zu erhalten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bestimmt das Lidar den Zielabstand gemäß der Sendezeit des Detektionsstrahls und der Empfangszeit des Echos und in dem Verfahren 10 zum Messen des Reflexionsvermögens des Ziels 10 mittels eines Lidars umfasst Schritt S 102 ferner:

Wie in 4 gezeigt, umfasst die Reflexionskalibrierungskurve der Verarbeitungseinheit, die im Lidar vorgespeichert ist, Folgendes: Die Kurve des Photostromintegralwerts mit der Entfernung unter verschiedenen Reflexionsgraden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Reflexionskalibrierungskurve eine Vielzahl von Photostromintegral-Distanzkurven mit unterschiedlichen vorbestimmten Reflexionsgraden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält 4 den Reflexionswert R1 der kalibrierten vorbestimmten Reflektorplatte 1, den Reflexionswert R2 der vorbestimmten Reflektorplatte 2, den Reflexionswert R3 der vorbestimmten Reflektorplatte 3, das Reflexionsvermögen R des Ziels kann durch ein lineares Interpolationsverfahren gemäß dem Echo-Photostromintegral V_d0 und dem Abstand d des Ziels bestimmt werden.
Nach der linearen Interpolationsformel: $\frac{V_{d} (d, R 2) - V_{d} (d, R 1)}{R 2 - R 1} = \frac{V_{d 0} - V_{d} (d, R 1)}{R - R 1}$
kann Folgendes ermittelt werden: $R = \frac{R 1 + (V_{d 0} - V_{d} (d, R 1)) * (R 2 - R 1)}{V_{d} (d, R 2) - V_{d} (d, R 1)}$
Das Verfahren 10 zum Messen des Reflexionsvermögens eines Ziels unter Verwendung eines Lidars gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ferner:

Da die voreingestellte Echo-Photostromintegralkurve bei einer konstanten Kalibrierungstemperatur durchgeführt wird und sich die Verstärkung des Photodetektors bei verschiedenen Temperaturen ändert, ist das Photostromintegral, das beim Empfang des optischen Signals der gleichen Intensität erzeugt wird, unterschiedlich, was zu einer Drift des tatsächlich gemessenen Reflexionswerts führt. Daher ist es notwendig, eine Temperaturkompensation an dem tatsächlich gemessenen Echo-Photostromintegral durchzuführen, um das Echo-Photostromintegral bei der äquivalenten Kalibrierungstemperatur zu erhalten, um das Reflexionsvermögen des Ziels gemäß der Kalibrierungskurve bei der Kalibrierungstemperatur genau zu berechnen.
Für Silizium-Photomultiplier-Röhren besteht die folgende Beziehung zwischen dem Photostromintegral und der Temperatur: $\frac{V_{d, T 0}}{V_{d}} = K * T + b$
Dabei: V_{d, T0} ist ein Photostromintegral, das kalibriert wird, wenn der Abstand d ist und die Umgebungstemperatur T0 ist; V_d ist das Echo-Photostromintegral, das durch Messen des Reflexionsvermögens eines Objekts mit einer Entfernung d in der tatsächlichen Arbeit des Lidars erhalten wird; k und b sind herkömmliche Koeffizienten, die feste Werte für eine Silizium-Photomultiplier-Röhre sind; T ist die Umgebungstemperatur, wenn das Lidar das Reflexionsvermögen im tatsächlichen Betrieb misst.
Unter Verwendung der obigen Beziehung kann das Photostromintegral der Silizium-Photomultiplier-Röhre temperaturkompensiert werden. Im Betriebstemperaturbereich des Lidars kann das in Echtzeit gemessene Echo-Photostromintegral Vd in das Echo-Photostromintegral V_{d, T0} bei der äquivalenten Kalibriertemperatur TO umgewandelt werden.
Durch das Verfahren der Temperaturkompensation, das durch die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird, wird die tatsächlich gemessene Reflexionstemperaturdrift um 80% reduziert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren 10 zum Messen des Reflexionsvermögens eines Ziels unter Verwendung eines Lidars ferner:

Wenn das Umgebungslicht schwach ist, können das Photostromintegral, das dem optischen Echosignal entspricht, und das Photostromintegral, das dem optischen Umgebungssignal entspricht, linear überlagert werden; Wenn jedoch das Umgebungslicht stark ist, wie in 5 gezeigt, verursacht das Umgebungslichtsignal eine partielle SPAD-Sättigung in der Silizium-Photomultiplier-Röhre, die während der Wiederherstellungszeit nicht ausgelöst werden kann, so dass die Anzahl der durch das Echolichtsignal ausgelösten SPAD verringert wird, was die Reaktionsfähigkeit des Detektors auf das Echolichtsignal verringert und einer Abnahme der Photonendetektionseffizienz (Photon Detection Efficiency, PDE) entsprechen kann. Daher sollte in dem Fall, in dem das Umgebungslicht stark ist, die äquivalente PDE, die durch das Umgebungslicht beeinflusst wird, durch das Echo-Photostromintegral kompensiert werden, um das Echo-Photostromintegral unter der äquivalenten Kalibrierungs-PDE zu erhalten.
Für eine Silizium-Photomultiplier-Röhre bezieht sich die äquivalente PDE nur auf das erste Photostromintegral, das dem Ausgangssignal der Silizium-Photomultiplier-Röhre entspricht, und das zweite Photostromintegral, das dem Umgebungslicht entspricht, unabhängig von dem Reflexionsvermögen und der Entfernung des Ziels, aber es wird durch die Temperatur beeinflusst.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein weiteres äquivalentes PDE-Zweiecho-Photostromintegral/zweites Photostromintegral. Die äquivalente PDE kann an mehreren Silizium-Photomultiplier-Röhren des Lidars in einer Umgebung mit konstanter Temperatur kalibriert werden, um die Kalibrierungsbeziehung zwischen der äquivalenten PDE und dem ersten Photostromintegral, dem zweiten Photostromintegral oder der äquivalenten PDE und dem Echo-Photostromintegral (Differenz zwischen dem ersten Photostromintegral und dem zweiten Photostromintegral) und der Kalibrierungsbeziehung des ersten Photostromintegral zu bestimmen, um eine Umgebungslichtkompensation an dem Echo-Photostromintegral unter der äquivalenten Kalibrierung PDE durchzuführen.
Insbesondere werden das erste Photostromintegral und das zweite Photostromintegral unter verschiedenen Umgebungslichtintensitäten gemessen, und das äquivalente PDE wird berechnet; oder basierend auf dem Echo-Photostromintegral und dem zweiten Photostromintegral wird die äquivalente PDE berechnet. Dadurch wird die Kalibrierungsbeziehung zwischen der äquivalenten PDE und dem ersten Photostromintegral und dem zweiten Photostromintegral oder der Kalibrierungsbeziehung zwischen der äquivalenten PDE und dem Echo-Photostromintegral und dem zweiten Photostromintegral erhalten.
Unter diesen kann ein kritischer Wert der Umgebungslichtintensität durch vorherige Kalibrierung eingestellt werden, der dem kritischen Wert V_B0 des Umgebungsphotostromintegrals entspricht. Als eine Ausführungsform entspricht der kritische Wert V_B0 unter Kalibrierungsbedingungen der Kalibrierung. Das zweite Stromintegral der Umgebung. Wenn das zweite Photostromintegral V_B, das dem Umgebungslichtsignal entspricht, höher als der kritische Wert V_B0 ist, wird angenommen, dass das Umgebungslichtsignal die Umgebungslichtintensität unter den Kalibrierungsbedingungen übersteigt und die äquivalente PDE der Silizium-Photomultiplier-Röhre niedriger ist als der Kalibrierungswert. An diesem Punkt ist eine Umgebungslichtkompensation erforderlich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird gemäß der obigen Kalibrierungsbeziehung die äquivalente PDE entsprechend dem gemessenen Photostromintegral bestimmt, und das Verhältnis der Kalibrierungs-PDE zu der äquivalenten PDE wird als Kompensationskoeffizient verwendet, und das Echo-Photostromintegral wird mit dem Kompensationskoeffizienten multipliziert, um das Echo-Photostromintegral unter der äquivalenten Kalibrierungs-PDE zu erhalten. Zum Beispiel ist das äquivalente PDE = 1 unter anderen Kalibrierungsbedingungen, ein äquivalentes PDE = 0,9 entsprechend dem gemessenen ersten Photostromintegral und dem zweiten Photostromintegral, und der Kompensationskoeffizient ist 1/0,9, und das kompensierte äquivalente Kalibrierungsecho-Photostromintegral 2 (erstes Photostromintegration-zweites Photostromintegral) unter PDE ist 0,9.
Wenn das zweite Photostromintegral V_B, das dem Umgebungslichtsignal entspricht, niedriger als der kritische Wert V_B0 ist, wird angenommen, dass das Umgebungslichtsignal im Wesentlichen keinen Einfluss auf die Detektionseffizienz der Silizium-Photomultiplier-Röhre hat.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Lidar eine Vielzahl von Detektoren, und das Verfahren 10 zum Messen des Reflexionsvermögens eines Ziels unter Verwendung eines Lidars umfasst ferner:

Wie in 6A und 6B gezeigt, stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren 20 zum Kalibrieren des Reflexionsvermögens eines Lidars für einen Detektionskanal bereit, umfassend die Schritte S201 bis S207.
In Schritt S201 sind ein Lidar und eine vorbestimmte Reflexionsplatte installiert;
In Schritt S202 fällt das Lidar unmittelbar auf eine vorbestimmte Reflexionsplatte ein;
In Schritt S203 wird unter schwachem Umgebungslicht (bewölktes Licht oder Innenlicht) die Reflexionsplatte bewegt, und die erste Photostromintegralkurve und die zweite Photostromintegralkurve werden gemessen, und die Differenz wird durchgeführt, um das Echo-Photostromintegral entsprechend dem Reflexionsvermögen der vorbestimmten Reflexionsplatte mit der Entfernung zu erhalten.
In Schritt S204 werden unter starkem Umgebungslicht das erste Photostromintegral und das zweite Photostromintegral gemessen, und die Differenz wird durchgeführt, um das Echo-Photostromintegral zu ermitteln;
In Schritt S205 wird die Beziehung zwischen der äquivalenten PDE und dem Echo-Photostromintegral und dem zweiten Photostromintegral kalibriert;
In Schritt S206 wird die vorbestimmte Reflexionsplatte ersetzt, und der Schritt S201-S205 wird wiederholt;
In Schritt S207 wird eine Kalibrierungstabelle erzeugt, die in dem Lidar gespeichert wird.
Dabei ist in Schritt S205 die äquivalente PDE gleich dem Verhältnis des Echo-Photostromintegrals zu dem zweiten Photostromintegral.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt die vorliegende Erfindung, wie in 7 gezeigt, ein Lidar 100 bereit, das eine Sendeeinheit 110, eine Empfangseinheit 120 und eine Verarbeitungseinheit 130 umfasst.
Eine Sendeeinheit 110, die konfiguriert ist, um einen Detektionsstrahl zum Erfassen des Ziels zu emittieren;

eine Empfangseinheit 120, die mindestens einen Detektor umfass und konfiguriert ist, um ein optisches Signal zu empfangen und das optische Signal in ein elektrisches Signal umzuwandeln;
eine Verarbeitungseinheit 130, die konfiguriert ist, um ein Echo-Photostromintegral zu ermitteln, das dem Echo entspricht, das durch Reflexion des Detektionsstrahls an dem Ziel erzeugt wird, und das Reflexionsvermögen des Ziels gemäß einer voreingestellten Reflexionsvermögenskalibrierungskurve und dem Echo-Photostromintegral zu bestimmen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Lidar 100, wie in 7 gezeigt, ferner:

eine Integraleinheit 140, die mit dem Detektor der Empfangseinheit 120 gekoppelt und konfiguriert ist, um das elektrische Signal innerhalb einer voreingestellten Zeit zu integrieren.

Vorzugsweise ist der Eingang der Integraleinheit 140 mit der Anode oder Kathode des Detektors des Lidars gekoppelt, um ein Integral des vom Detektor ausgegebenen elektrischen Signals zu erhalten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Detektor eine Silizium-Photomultiplier-Röhre, mit deren Anode die Integraleinheit 140 gekoppelt ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Integraleinheit 140 eine RC-Integralschaltung.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Integraleinheit 140 auch einen Operationsverstärker, der mit einem ersten Eingang des Operationsverstärkers gekoppelt ist.
Vorzugsweise ist der Ausgang des Operationsverstärkers über einen Widerstand mit einem zweiten Eingang des Operationsverstärkers gekoppelt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Lidar 100, wie in 7 gezeigt, ferner:

Die Abtasteinheit 150 ist mit dem Ausgang der Integraleinheit 140 gekoppelt und konfiguriert, um den Ausgang der Integraleinheit 140 abzutasten, um ein Photostromintegral zu erhalten.

8A zeigt eine Integraleinheit 140 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8A zeigt ein Diagramm der Integralschaltung, die von der Integraleinheit 140 der vorliegenden Erfindung verwendet wird, und 8B ist ein Ausgangssignaldiagramm der Integralschaltung. Unter Bezugnahme auf die 8A und 8B wird der Detektor des Lidars (vorzugsweise die Silizium-Photomultiplier-Röhre SiPM in der Abbildung) durch Photonen unter der umgekehrten Vorspannung Vs ausgelöst, und der Anodenausgangsimpuls der Silizium-Photomultiplier-Röhre SiPM wird durch eine RC-Schaltung integriert, die aus Widerstand r1 und Kondensator C besteht und durch einen Operationsverstärker in ein Spannungssignal V umgewandelt wird.
In der in 8A gezeigten Ausführungsform ist die Abtasteinheit 150 ein Analog-DigitalWandler (analog digital converter, ADC) und vorzugsweise ein ADC mit niedriger Geschwindigkeit. Der ADC kann das von dem Operationsverstärker ausgegebene Spannungssignal abtasten, um den Spitzenwert des Spannungssignals als Photostromintegral zu ermitteln.
Andererseits ist für SiPM, das ein schnelles Ausgangssignal verwendet, um den Zielabstand zu berechnen, die Integralschaltung der vorliegenden Erfindung mit der Anode von SiPM verbunden, was keinen Einfluss auf die Timing-Messung von Fast Output hat. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine genaue Reflexionsinformation gemäß dem von der Integralschaltung ausgegebenen Photostromintegral erhalten werden, während der Zielabstand schnell gemessen wird.
Vorzugsweise ist die Periode des Integralschaltungsintegrals die gleiche wie die Detektionsperiode der Silizium-Photomultiplier-Röhre SiPM und kann die Größenordnung von 100 Nanosekunden erreichen. Verglichen mit dem Stand der Technik wird die Grenzneigung oder Impulsbreite des Echopulses auf Nanosekundenebene gemessen, um das Reflexionsvermögen des Ziels zu bestimmen, was die Messgenauigkeit stark verbessert. In dem Fall, in dem das elektrische Echo-Impulssignal einen zufälligen Jitter aufweist, kann das Reflexionsvermögen durch Messen des Echo-Photostromintegrals gemessen werden, was den Einfluss des elektrischen Impulssignals der obigen Vorrichtung eliminieren und die Genauigkeit der Reflexionsmessung weiter verbessern kann. Zusätzlich ändert sich das Echo-Photostromintegral monoton mit der Echoenergieintensität, es gibt keine nicht-einwertige Natur und wird nicht durch die Sättigung der Vorrichtung beeinflusst, was den dynamischen Bereich der Reflexionsmessung verbessert.
Gemäß den Eigenschaften von SPAD kann jeder Defekt in der Lawinenvervielfachungszone zum Zeitpunkt des Auftretens einer Lawine zu einer Einfangzone für Ladungsträger werden. Wenn ein Photon auf SPAD einfällt, durchläuft die Ladung, die durch den photoelektrischen Effekt erzeugt wird, die Lawinenvervielfachungszone des Detektors, und einige Ladungsträger werden von diesen Defekten eingefangen. Wenn der photoelektrische Umwandlungsprozess beendet ist, werden die in diesen Defekten freigesetzten Ladungsträger durch ein elektrisches Feld beschleunigt, das eine Lawine erneut auslöst und einen Nachpuls erzeugt, der mit dem vorherigen Lawinenpuls assoziiert ist. Der Nachpuls verursacht einen Jitter der vom Detektor ausgegebenen elektrischen Impulswellenform, was zu einem großen Fehler bei der Berechnung des Reflexionsvermögens unter Verwendung der Vorderflankensteigung und der Impulsbreite führt.
Die Intensität des Nachpulses nimmt jedoch mit zunehmender Intensität des einfallenden Lichts zu. Die Erfindung integriert geschickt das elektrische Signal in die Zeit, eliminiert nicht nur den Einfluss des Wellenformjitters, der durch den hinteren Impuls erzeugt wird, sondern verwendet auch das Gesetz, dass der hintere Impuls mit der Zunahme der Echoenergie zunimmt, was die Echolichtintensität genauer widerspiegeln und die Berechnungsgenauigkeit des Zielreflexionsvermögens verbessern kann.
Als eine Ausführungsform sind Laser und Detektoren (SiPM) des Lidars eineindeutig zugeordnet, wenn ein Laser ausgewählt wird, um Licht zu emittieren, das entsprechende SiPM aktiviert, um das Echosignal zu empfangen. Vor dem Umschalten auf die nächste Silizium-Photomultiplier-Röhre wird der Schalter K der Integrationsschaltung einmal eingeschaltet, um die integrale Ladung auf dem Kondensator C zu löschen.
Der Fachmann kann verstehen, dass 8A nur eine Integralschaltung zeigt, die von der Integraleinheit der vorliegenden Erfindung verwendet wird, und andere Schaltungsformen, die die Integration des Ausgangsphotostroms des Detektors des Lidars realisieren, liegen ebenfalls innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das reflektierte Echo des Detektionsstrahls eine Vielzahl von Lichtimpulsen, und das Echo-Photostromintegral ist ein kumulatives Integral einer Vielzahl von elektrischen Impulsen, die der Vielzahl von Lichtimpulsen entsprechen.
Wie in 8B gezeigt, sendet die Sendeeinheit 110 während einer Detektionsperiode eine Vielzahl von Laserpulssignalen (die 2-4 sein können), und mindestens ein Detektor der entsprechenden Empfangseinheit 120 empfängt auch eine Vielzahl von Echo-Impulssignalen, um alle Echo-Impulse in einer Detektionsperiode zu integrieren. Das heißt, die Sendeeinheit 110 sendet 2-4 Laserpulssignale bei jeder ToF-Messung, und die Empfangseinheit 120 empfängt das reflektierte Echo der 2-4 Impulssignale, um eine kumulative Integration durchzuführen. Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung verwendet ein kumulatives Integrationsverfahren, das den Messfehler, der durch den Einzelpulsjitter verursacht wird, signifikant reduziert und die Messgenauigkeit des Reflexionsvermögens weiter verbessert.
Vorzugsweise umfasst das Lidar 100 eine Vielzahl von Integraleinheiten 140, die jeweils mit einer Vielzahl von Detektoren der Empfangseinheit 120 gekoppelt sind, und wenn der entsprechende Detektor detektiert wird, wird der Ausgangsphotostrom integriert und das Integralergebnis wird ausgegeben. Alternativ ist die Integraleinheit 140 getrennt mit einer Vielzahl von Detektoren der Empfangseinheit 120 gekoppelt, und wenn der ausgewählte Detektor detektiert wird, wird der von ihm ausgegebene Photostrom integriert und das Integralergebnis wird ausgegeben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Integraleinheit 140 des Lidars 100 ferner so konfiguriert, dass
das elektrische Signal, das durch das Umgebungslicht erzeugt wird, wird innerhalb einer zweiten voreingestellten Zeit integriert, um das zweite Photostromintegral zu ermitteln, das dem Umgebungslicht entspricht.
Das elektrische Signal, wenn der Lidardetektor das Echo empfängt, wird innerhalb der ersten voreingestellten Zeit integriert, um das erste Photostromintegral zu ermitteln.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Verarbeitungseinheit 130 ferner so konfiguriert, dass
ein erstes und ein zweites Photostromintegral werden ermittelt, und die Differenz zwischen ersten Photostromintegral und dem zweiten Photostromintegral wird als Echo-Photostromintegral verwendet.
Vorzugsweise ist die erste voreingestellte Zeit ähnlich dem Zeitintervall der zweiten voreingestellten Zeit. Vorzugsweise liegen die erste voreingestellte Zeit und die zweite voreingestellte Zeit in der Größenordnung von hundert ns.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Verarbeitungseinheit 130 ferner so konfiguriert, dass
die Entfernung des Ziels wird basierend auf der Zeit bestimmt, zu der der Detektionsstrahl emittiert wird, und der Zeit, zu der Echo empfangen wird;
das Reflexionsvermögen des Ziels wird basierend auf einer voreingestellten Kalibrierungskurve des Reflexionsvermögens, des Photostromintegrals und des Zielabstands und dem Echo-Photostromintegral bestimmt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Verarbeitungseinheit 130 ferner so konfiguriert, dass
gemäß der voreingestellten Kalibrierungskurve des Photostromintegrals und des Zielabstands, die Vielzahl von vorbestimmten Reflexionen entspricht, wird das Reflexionsvermögen des Ziels, das dem Echo-Photostromintegral entspricht, durch ein Interpolationsverfahren berechnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Lidar ferner: Eine Temperaturerfassungseinheit zum Ermitteln der Temperatur des Detektors.
Die Verarbeitungseinheit 130 ist ferner so konfiguriert, dass
die Temperatur des Lidardetektors ermittelt wird, und das Echo-Photostromintegral in ein Echo-Photostromintegral bei einer äquivalenten Kalibrierungstemperatur umgewandelt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Verarbeitungseinheit 130 ferner so konfiguriert, dass
wenn das zweite Photostromintegral größer als ein voreingestellter Schwellenwert ist, wird das Echo-Photostromintegral in ein Echo-Photostromintegral unter äquivalenter Kalibrierung-PDE umgewandelt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Verarbeitungseinheit 130 ferner so konfiguriert, dass
Das Reflexionsvermögen des Ziels wird basierend auf dem Echo-Photostromintegral berechnet, das jedem Detektor entspricht.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zum Messen der Reflexion eines Ziels durch Photostromintegration bereit, das auf der Langzeitakkumulation des Photonenantwortstroms durch einen Photodetektor basiert. Verglichen mit dem Verfahren zum Messen des Reflexionsvermögens durch Messen von Signalmerkmalen wie Echo-Impulsspitzenintensität, Impulsbreite und Vorderflankensteigung im Stand der Technik weist das Verfahren, das durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird, einen geringen Stromverbrauch, eine hohe Genauigkeit, eine hohe Messgenauigkeit und einen großen Dynamikbereich auf. Insbesondere kann es die nachteiligen Auswirkungen von Defekten wie zufälligem Jitter, Nichtlinearität, leichter Sättigung und kleinem Dynamikbereich von elektrischen Echo-Impulssignaleigenschaften auf die Reflexionsvermögensmessung überwinden und spielt eine gute Rolle bei der Förderung der breiten Anwendung von Silizium-Photomultiplier-Röhrenvorrichtungen auf dem Gebiet des Lidars.
Schließlich sollte angemerkt werden, dass bisher nur bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert wurden, die keineswegs zur Einschränkung der Erfindung dienen. Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele ausführlich beschrieben wurde, versteht sich für Durchschnittsfachleute auf diesem Gebiet, dass Modifikationen an den in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen beschriebenen technischen Ausgestaltungen oder gleichwertige Ersetzungen einiger der darin enthaltenen Merkmale möglich sind. Jegliche Modifikationen, gleichwertige Substitutionen und Verbesserungen im Rahmen der Grundideen und der Prinzipien der vorliegenden Erfindung sollen von dem Schutzumfang der Erfindung umfasst sein.

Claims

Verfahren zum Messen des Reflexionsvermögens eines Ziels unter Verwendung eines Lidars, umfassend: S101: ein Detektor des Lidars empfängt ein Echo, das durch Reflexion eines Detektionsstrahls an dem Ziel erzeugt wird, und wandelt es in ein elektrisches Signal um, um ein Echo-Photostromintegral zu ermitteln; S102: das Reflexionsvermögen des Ziels wird basierend auf einer voreingestellten Reflexionskalibrierungskurve und dem Echo-Photostromintegral bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt S101 ferner Folgendes umfasst: das elektrische Signal wird innerhalb einer ersten voreingestellten Zeit integriert, um ein erstes Photostromintegral zu ermitteln, das dem elektrischen Signal entspricht.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt S101 ferner Folgendes umfasst: ein zweites Photostromintegral, das dem Umgebungslicht entspricht, wird ermittelt, und die Differenz zwischen dem ersten Photostromintegral und dem zweiten Photostromintegral wird als das Echo-Photostromintegral verwendet.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt S101 ferner Folgendes umfasst: der Detektor empfängt Umgebungslicht und wandelt es in ein elektrisches Signal um; das elektrische Signal, das durch das Umgebungslicht erzeugt wird, wird innerhalb einer zweiten voreingestellten Zeit integriert, um das zweite Photostromintegral zu ermitteln.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2-4, wobei die erste voreingestellte Zeit nicht kleiner ist als die Gesamtzeit, zu der der Detektor eine Messung durchführt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, wobei der Detektor eine Silizium-Photomultiplier-Röhre ist, wobei das elektrische Signal ein elektrisches Signal ist, das von der Silizium-Photomultiplier-Röhrenanode ausgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, wobei das Lidar den Zielabstand basierend auf der Sendezeit des Detektionsstrahls und der Empfangszeit des Echos bestimmt, wobei der Schritt S102 ferner Folgendes umfasst: das Reflexionsvermögen des Ziels wird basierend auf einer voreingestellten Kalibrierungskurve des Reflexionsvermögens, des Photostromintegrals und des Zielabstands und dem Echo-Photostromintegral bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt S 102 ferner Folgendes umfasst: gemäß der voreingestellten Kalibrierungskurve des Photostromintegrals und des Zielabstands, die einer Vielzahl von vorbestimmten Reflexionen entspricht, wird das Reflexionsvermögen des Ziels, das dem Echo-Photostromintegral entspricht, durch ein Interpolationsverfahren berechnet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, wobei das Echo eine Vielzahl von Lichtimpulsen enthält und der Detektor die mehreren Lichtimpulsen in mehrere elektrische Impulsen umwandelt, wobei das Echo-Photostromintegral ein kumulatives Integral der mehreren elektrischen Impulse ist.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, umfassend ferner: die Temperatur des Lidardetektors wird ermittelt, und das Echo-Photostromintegral wird in ein Echo-Photostromintegral bei einer äquivalenten Kalibrierungstemperatur umgewandelt.
Verfahren nach Anspruch 10, umfassend ferner: wenn das zweite Photostromintegral größer als ein voreingestellter Schwellenwert ist, wird das Echo-Photostromintegral in ein Echo-Photostromintegral unter äquivalenter Kalibrierung-PDE umgewandelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, wobei das Lidar eine Vielzahl von Detektoren umfasst, wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: die Kalibrierungskurven des Reflexionsvermögens, des Photostromintegrals und des Zielabstands, die jedem Detektor entsprechen, werden jeweils eingestellt.
Lidar, umfassend: eine Sendeeinheit, die konfiguriert ist, um einen Detektionsstrahl zum Erfassen des Ziels zu emittieren; eine Empfangseinheit, die mindestens einen Detektor umfass und konfiguriert ist, um ein optisches Signal zu empfangen und das optische Signal in ein elektrisches Signal umzuwandeln; eine Verarbeitungseinheit, die konfiguriert ist, um ein Echo-Photostromintegral zu ermitteln, das dem Echo entspricht, das durch Reflexion des Detektionsstrahls an dem Ziel erzeugt wird, und das Reflexionsvermögen des Ziels gemäß einer voreingestellten Reflexionsvermögenskalibrierungskurve und dem Echo-Photostromintegral zu bestimmen.
Lidar nach Anspruch 13, umfassend ferner: eine Integraleinheit, die mit dem Detektor gekoppelt und konfiguriert ist, um das elektrische Signal innerhalb einer voreingestellten Zeit zu integrieren.
Lidar nach Anspruch 14, wobei der Detektor eine Silizium-Photomultiplier-Röhre ist, die mit der Anode des Detektors gekoppelt ist.
Lidar nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Integraleinheit eine RC-Integralschaltung enthält.
Lidar nach Anspruch 16, wobei die Integraleinheit ferner einen Operationsverstärker enthält, wobei die RC-Integralschaltung mit einem ersten Eingangsende des Operationsverstärkers gekoppelt ist; wobei ein Ausgangsende des Operationsverstärkers über einen Widerstand mit einem zweiten Eingangsende des Operationsverstärkers gekoppelt ist.
Lidar nach Anspruch 14 oder 15, umfassend ferner: eine Abtasteinheit, die mit der Integraleinheit gekoppelt und konfiguriert ist, um die Ausgabe der Integraleinheit abzutasten.
Lidar nach einem der Ansprüche 13-15, umfassend ferner: eine Temperaturerfassungseinheit zum Erfassen der Temperatur des Detektors.