雷达脉冲ToF电路设计(四)

出处:电路城 发布于:2020-01-03 15:36:09 | 788 次阅读

  概括来说,该系统测量传感器及其前面第一个障碍物之间的距离。测量距离的方法是,计算发出光脉冲和接收回波之间的时间。时间测量是通过 TDC 完成的,我们可将 TDC 视为集成到器件中的秒表。TDC 具有50ps 的计时分辨率。
  以下几篇文章会讲LIDAR 系统选项。
  用于 ToF 估算的相移法
  相移法的原理是,调制发射光的振幅,然后测量发射光和接收光之间的相位差。考虑到光速 (c) 和调制频率(f),当距离 (d) 为 d = c × f/2 的倍数时将发生混叠。为了降低此效应的影响,可使用多个频率来扩大传感范围。相移测量可以通过直接采样、外差(因为信号相位在中频时不会更改)或者 I/Q 解调欠取样完成。
  脉冲 ToF 估算
  脉冲 ToF 估算可以直接测量发出和接收到激光之间的 ToF。
  光学设计
  概括来讲,光学设计需要满足以下要求:
  应尽可能扩大发送路径和接收路径共有的视场。
  光学器件需要最大限度地增加目标在将光反射回传感器前接收的能源。
  光学器件需要最大限度地增加光电二极管接收到的能源。
  光学器件可过滤环境光以降低系统中的背景噪声。
  激光二极管、LED、光电二极管以及关于最大距离的注意事项在设计 LIDAR 系统时遇到的一个最基本的问题是,需要估算传感元件接收到的、作为传输能量函数的能源量。
  与雷达方程式类似,以下公式是 LIDAR 方程式:


  其中:
  Gt 表示传输元件的效率
  Gr 表示接收元件的效率
  R 是光学接收元件的半径(π ×r2 等于面积)2 × π 是目标衍射光的立体角
  D 是目标元件和传感元件之间的距离
  要使公式 生效,需假设传输光可以完全射中目标。安装在激光二极管或 LED 前端的透镜能够做到这一点。
  但请记住,大多数工业(或汽车)设计所用的激光二极管均为半导体二极管,因为它们的机械结构会致使光在离开半导体基板时发生衍射。


  大多数二极管会垂直堆叠起来,这样一来,水平缝隙创建的衍射光束会产生比水平角更宽的垂直角。据最初粗略估计,垂直轴上的角度介于 30 到 40 度之间,而平行轴上的角度为 10 度。必须将透镜设计为能够纠正这种散光问题;否则,垂直轴上的焦点将无法与平行轴上的焦点相重叠。参见下图。

  对于使用 LED 而非激光二极管的系统,需校正公式 1 以将光广泛扩散的因素包括在内。激光器接收到的能量是 1/d4 而非 1/d2 的函数。

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