[發(fā)明專(zhuān)利]基于硅光電倍增管的激光雷達(dá)快速探測(cè)系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011118390.4
• 申請(qǐng)日: 2020-10-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112305519B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-05-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 來(lái)建成;許文進(jìn);李振華;王春勇;嚴(yán)偉;紀(jì)運(yùn)景;趙艷;吳志祥
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01S7/481
• 分類(lèi)號(hào): G01S7/481;G01S7/483;G01S7/4861;G01S17/08
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專(zhuān)利中心 32203
• 代理人: 汪清

1.一種基于硅光電倍增管的激光雷達(dá)快速探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括數(shù)據(jù)管理終端、時(shí)序控制電路、激光驅(qū)動(dòng)電路、脈沖激光器、發(fā)射透鏡組件、接收透鏡組件、硅光電倍增管、電源模塊、溫度傳感器、放大電路、比較器、數(shù)字電位器、基準(zhǔn)源13、四通道TDC單元和第一處理器；

所述的數(shù)據(jù)管理終端用于存儲(chǔ)距離數(shù)據(jù)并控制整個(gè)激光雷達(dá)工作；所述時(shí)序控制電路用于控制激光器發(fā)出脈沖激光并發(fā)送開(kāi)始計(jì)時(shí)信號(hào)給TDC單元；所述激光驅(qū)動(dòng)電路，用于進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)光；所述發(fā)射透鏡組件用于整形激光器發(fā)出的脈沖激光并出射到被測(cè)物體上；所述接收透鏡組件用于整形激光回波的光路并將光耦合到硅光電倍增管上；所述電源模塊包括第二處理器和DC/DC升壓變換電路；所述硅光電倍增管連接有溫度傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)硅光電倍增管的溫度，并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換到第二處理器；DC/DC升壓變換與硅光電倍增管相連，使得硅光電倍增管反向擊穿開(kāi)始探測(cè)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換；所述第二處理器根據(jù)硅光電倍增管的溫度對(duì)比硅光電倍增管的基準(zhǔn)源控制DC/DC升壓變換電路控制輸出電壓；所述的放大電路用于放大模擬輸出信號(hào)；所述的比較器根據(jù)數(shù)字電位器的電平將放大的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并發(fā)送停止計(jì)時(shí)信號(hào)給四通道TDC單元；所述基準(zhǔn)源與數(shù)字電位器相連，用于提供一個(gè)光電子的幅度；所述第一處理器與數(shù)字電位器、數(shù)據(jù)管理終端和四通道TDC單元相連，數(shù)字電位器通過(guò)第一處理器控制，并且第一處理器將四通道TDC單元得到的激光的時(shí)間延時(shí)經(jīng)過(guò)處理后傳輸給數(shù)據(jù)管理終端。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一處理器對(duì)四通道TDC單元15的時(shí)間信號(hào)進(jìn)行處理主要是將時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)換為距離數(shù)據(jù)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一處理器對(duì)數(shù)字電位器進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)輸入到比較器的閾值電平。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述硅光電倍增管(SiPM)7的每個(gè)像素是由工作在蓋革模式的硅雪崩光電二極管(APD)串聯(lián)淬滅電阻構(gòu)成；多個(gè)這樣的像素并聯(lián)連接，構(gòu)成二維的陣列式結(jié)構(gòu)，并共用一個(gè)電源端和一個(gè)輸出端。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述四通道TDC單元為FPGA擴(kuò)展口，時(shí)序控制電路給出Start信號(hào)，精密時(shí)間測(cè)量陣列開(kāi)始工作同時(shí)使能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，待探測(cè)到硅光電倍增管的數(shù)字信號(hào)，四通道TDC單元給出Stop信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理模塊使得精密時(shí)間測(cè)量陣列停止計(jì)時(shí)，得到的時(shí)間延時(shí)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)緩沖器和編碼器由FIFO 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)，再通過(guò)TCP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述接收透鏡組件從接收到耦合探測(cè)方向依次是彎月正透鏡、準(zhǔn)直鏡和彎月負(fù)透鏡，激光探測(cè)到物體時(shí)激光回波被被測(cè)物體反射經(jīng)過(guò)彎月正透鏡匯聚到準(zhǔn)直鏡上，準(zhǔn)直后的激光回波通過(guò)彎月負(fù)透鏡擴(kuò)束耦合到硅光電倍增管的感光面上。

7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，其工作過(guò)程為：

步驟一、激光雷達(dá)出射端：通過(guò)數(shù)據(jù)管理終端啟動(dòng)時(shí)序控制電路，時(shí)序控制電路通過(guò)驅(qū)動(dòng)激光器驅(qū)動(dòng)電路讓脈沖激光器產(chǎn)生激光； 并通過(guò)發(fā)射透鏡組件整形，照射到被測(cè)物體上；同時(shí)時(shí)序控制電路給出開(kāi)始計(jì)時(shí)信號(hào)使得四通道TDC單元同步開(kāi)始計(jì)時(shí)；

步驟二、激光雷達(dá)接收端：激光照射到被測(cè)物體后，激光回波通過(guò)接收透鏡組件整形，耦合到硅光電倍增管上，在高壓電源作用下反偏產(chǎn)生微弱的光子脈沖，經(jīng)過(guò)低噪聲的放大電路把信號(hào)放大，之后信號(hào)經(jīng)過(guò)比較器進(jìn)行整形與甄別，甄別出有效的光子信號(hào)，濾除被硅光電倍增管探測(cè)到的背景光噪聲信號(hào)，并整理成為T(mén)TL信號(hào)進(jìn)行信號(hào)輸出并給出結(jié)束計(jì)時(shí)信號(hào)使得四通道TDC單元結(jié)束計(jì)時(shí)；

步驟三、激光雷達(dá)測(cè)距數(shù)據(jù)處理：當(dāng)完成設(shè)定的探測(cè)周期后，根據(jù)周期內(nèi)采集到的光子信號(hào)序列，統(tǒng)計(jì)所有探測(cè)周期的光子事件的分布，通過(guò)對(duì)比四通道TDC單元的開(kāi)始計(jì)時(shí)和結(jié)束計(jì)時(shí)之間的時(shí)間延時(shí)，將數(shù)據(jù)傳輸給第一處理器經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理得到目標(biāo)距離位置，最后通過(guò)SPI口向數(shù)據(jù)管理終端傳輸數(shù)據(jù)。