spad芯片学习总结

一、时间相关单光子计数法TCSPC(Time correlated single photon counting)

1> 如果spad接收用单次发射、峰值检测会怎么样

       首先spad是概率性触发的器件，探测到的概率远小于1，而且不仅接收信号的光子可以触发，环境光噪声一样会被spad接收到，这样就会导致峰值检测的精度不高，信噪比也非常低。

2> 多次发射、概率统计

      为了解决单次发射、峰值检测的信噪比低的问题，采用多次发射、概率统计来精确的获取TOF信息，这样也排除了由于spad接收的概率性触发的问题，下图为TCSPC的工作原理。

图：TCSPC的原理示意图

       可以看出通过8次的发射，可以在直方图上近似表现出发射的波形，每次在发光的这段时间的任一点都是有可能接收到光子的，再通过统计每个点上管子被触发次数，就可以统计出不同时间接收的光强度，进而反应发射的光波形。

3>积分次数

      上面只是示意TCSPC的原理，实际发射的次数可能几十次到几千次，发射次数常用的叫法是积分次数，目前一般单点的spad发射次数设置为几百次到1000次，面阵的spad都只能设置在几十次左右。

4>直方图的坐标代表的意义

      输出的直方图横坐标为时间信息，具体表示的是bin的数量，比如一个单点的spad芯片有1024个bin，量程为15m，TOF时间100ns,那么每个bin的时间就是100ps，这个100ps对应的就是spad芯片内部的TDC的分辨率，N位TDC的bins数量为2^N，1000个bin对应TDC的位数就是10位。

二、spad芯片一般要求发射的脉宽更小

       一般在雷达上减小发射的脉宽是为了减小功耗，增加峰值的功率，提高发射的重频，在APD和SiPM应用时为了提升系统的信噪比都会把发射的峰值功率做的很大，脉宽2~5ns都是可以接受的，但是在spad芯片应用时，一般是发射功率会稍小一点，重频比较高，发射的脉宽更小， 一般都是1ns以内，这样做的目的也是提升接收的信噪比，比如上面说到的1024个bin对应15m的量程，TDC的分辨率为100ps，100ps足够分辨1ns的光脉冲了，所以脉宽在100ps~1ns之间做的越小越能提升信噪比，但是1ns的发射脉宽对SiPM的意义不大，SiPM一般是几百到几千和SPAD组合起来的，输出的是模拟信号，波形的上升时间一般为1ns左右，下降30ns左右，这样根本不能分辨1ns还是2ns的信号，所以对SiPM来说减小脉宽不能对信噪比有所提升，但是减小脉宽对spad来说可以有信噪比的提升。

 图：spad接收不同脉宽发射时