激光雷达系统原理及相关介绍

激光雷达系统组成

激光雷达系统主要分为四部分，分别是主控模块、电源模块、激光发射系统以及激光接收系统。主控模块即是向另外三个模块发布控制指令，并对收集到的信息进行处理和分析；电源模块则是向另外三个模块进行供电。激光发射系统中包含信号发生器、激光发射器以及透镜等。
激光接收系统则包括滤波器、衰减片、SPAD（SiPM）阵列、以及与SPAD相配合使用的温控模块、升压电路、淬灭电路以及信号提取模块。

激光雷达系统的工作原理与相关介绍

信号发生器产生信号触发激光发射器发射波长为905nm或1550nm的激光（850nm的激光雷达主要用于近距，而传统的激光雷达主要以905nm波长为主，该波长激光器件相对成熟，但可能对人眼有危害，1550nm波长较之，对于人眼安全提高40倍。除此之外，905nm波长的激光优势多多，例如成本低，技术成熟等）。激光发射后，经过透镜，照射到目标物体上。目标物体可以看做是朗伯体，即是漫反射的。
反射过后的回波信号经过窄带滤波，再经过衰减片（衰减片的透过率直接影响激光雷达的探测性能）。经过衰减片后，回波信号照射到SPAD上，此时SPAD工作在盖革模式下时，单个光子即可触发雪崩，雪崩电流极剧增大。由于连续大电流会使得APD器件发热，时间过长可能会损坏器件；更重要的是，APD工作在盖革模式下时，自持性雪崩过程无法自动结束，导致系统无法进行下一轮的接收过程。因此，需要进行淬灭，从而终止雪崩，提高APD接收速率。淬灭电路主要包括被动淬灭、主动淬灭和门控淬灭。被动淬灭主要是利用电阻分压，从而使得电压降低，使其退出雪崩状态。主动淬灭主要是通过反馈电路主动降低反向偏置电压，从而退出雪崩。门控淬灭，则是保持发射器和探测器的二者的频率相同，同时保证光子到来时探测器处于盖革模式下，光子不应该来的时候处于截止状态。该淬灭方式降低了暗计数。经过淬灭后，SPAD退出雪崩状态，经过升压电路升压后，再次工作在盖革模式下，即可再次接收。升压的这段时间无法接收，称为死时间，死时间的长度对激光雷达的性能有较大影响。
雪崩电流或其他表现形式，如电压等经信号提取后，送入主控模块进行计算，得到距离信息等。计算的方法主要有dTOF（直接时飞法）等，其余的包括三角测量法、结构光注入等。

影响激光雷达探测性能的因素

宏观上

影响激光雷达系统的探测性能的因素主要有探测概率、虚警概率、测距精度、成像帧频、以及系统的紧凑小型化等。

1. 探测概率主要是指在目标时间内，系统输出信息的概率。
2. 虚警概率主要是在非目标时间内，系统输出信息的概率
3. 测距精度则是测量距离的精度。

其中探测概率、虚警概率、测距精度都与接收系统的衰减片透过率有关，衰减片透过率越高，虚警概率越高，测距精度越差。而探测概率与衰减片透过率呈非线性关系，表现为随着衰减片透过率增大，探测概率先增大后降低。
为了提高激光雷达的探测性能，需要想方设法地降低系统中的噪声
噪声主要包括暗计数和背景光噪声。

微观上

激光接收系统中的SPAD也影响着激光雷达系统的探测性能。
影响其工作的因素和参数主要有以下几种：

• 暗计数
  暗计数一般是指无光条件下，由其他噪声误触所引起的，主要是由高温激发和隧道效应

• 温度。
  温度影响载流子受到的约束，工作温度越低，击穿电压越低，同时暗计数率降低

• 反偏电压差值
  反偏电压值超出击穿电压值定义为Ve，该参数大小对于雪崩电压、探测效率、暗计数等都有所影响。Ve越大，探测效率增大，呈对数形式
  升高反偏电压会使得内部电荷产生率升高，暗计数率升高

• 量子效率
  量子效率是APD输出电子数量与接收光子数量的比值，显然量子效率越高，系统的探测效率越高。

• 死时间
  死时间越大，光子计数值越低，探测效率越低