【導讀】系統設計參數將根據特定應用的要求而變化。本節的目的是利用直接ToF測距系統的模型，證明采集的數據是如何受到七個關鍵參數的影響。也體現與目標的距離和環境光照度的影響。關鍵點總結在表2中。以下各節顯示的直方圖是通過仿真得到的，可以假定每個直方圖都包括在單幀中獲得的整個數據集。為了計算速度，所顯示的直方圖對應于一個較短的采集時間。
改變系統變量的影響
系統設計參數將根據特定應用的要求而變化。本節的目的是利用直接ToF測距系統的模型，證明采集的數據是如何受到七個關鍵參數的影響。也體現與目標的距離和環境光照度的影響。關鍵點總結在表2中。以下各節顯示的直方圖是通過仿真得到的，可以假定每個直方圖都包括在單幀中獲得的整個數據集。為了計算速度，所顯示的直方圖對應于一個較短的采集時間。
1 參考直方圖
圖4顯示了在右側藍色呼出框中列出的條件下，通過仿真得到的參考直方圖。這種配置被用作參考點，以顯示替代系統參數值的影響。以下分析中所使用的系統參數是為了提供一個典型的5米測距應用的參考點。一些參數的選擇是為了便于仿真和說明，而不是為了反映一個優化的設置。在以下各節中，只修改了一個參數，并重新進行了仿真，以說明該參數對系統采集數據的影響。
圖4. 參考直方圖
表2. 關鍵參數的影響概述
2 激光脈波重復率
較高的激光脈波重復率可以提高直方圖的質量，因為它增加了單次測量的次數，使得在給定的采集時間內可以檢測到更多返回的激光光子。隨著獲得更多的噪聲計數，最大噪聲峰值也會增加。但是，由于噪聲是不相關的，總體SNRH增加，如圖5所示。可以選擇的最大激光重復率有一個上限，因為該重復率限制了可不失真地測得的目標距離。例如，如果300米是最大的測距目標距離，那么可以使用1 MHz的最大重復率。如果100米是最大的目標距離，那么可以使用3 MHz。
3 激光脈波寬度
如圖6所示，較寬的激光脈波寬度會導致直方圖中較寬的訊號峰值。對于方形脈波，有必要對脈波的前緣進行判別，以便只定位探測到的第一個光子的飛行時間。后續的光子并不攜帶有用的ToF信息。因此，較短的激光脈波是最佳的。然而，是否有合適的激光器可能是實際設置中的決定性因素。
圖5. 激光重復率的影響
圖6. 更寬的激光脈波寬度的影響
4 激光波長
激光波長的選擇受到許多因素的影響，包括眼睛安全性和是否有特定波長的低成本激光器。激光波長的選擇也會影響測距性能，因為不同波長下太陽輻照度和傳感器探測效率。對于一個受太陽噪聲影響的系統，可以選擇一個較長的波長，以利用太陽輻照度在較長波長下相應減少。
從圖8中的太陽輻照度模型可以看出這種效果。在激光波長為940納米時，建模的SiPM的PDE從約1%降低到約0.3%。保持所有其他參數不變，激光光子和環境光子的探測效率都會降低。對于這特定的設置，凈效應是由于總計數減少而導致SNRH的降低，如圖7所示。當然，如果選擇另一種SiPM，在關注的波長上具有更好的PDE，那么產生的直方圖訊號計數會更高，SNRH也會得到改善。同樣地，其他參數也可以修改，以補償減少的PDE。
圖7. 增加的波長對直方圖的影響
圖8. 太陽輻照度模型
5 采集鏡頭光圈
當鏡頭光圈擴大時，更多的環境光子被探測到，而返回的激光光子數量保持不變。SiPM現在很容易出現飽和，這一點從圖9中直方圖窗口開始時的大過沖可以看出。當傳感器飽和時，激光光子就不能再被SiPM檢測到，導致訊號檢測率降低，整體SNRH降低。
圖9. 增加的采集鏡頭光圈的影響
6 傳感器的視角
傳感器的視角由傳感器的尺寸和采集鏡頭的焦距決定。當傳感器的視角增加到20°時，入射到SiPM上的環境光會明顯增多。然后，它變得飽和，以至于系統無法辨別激光脈波，如圖10中的情況。關鍵是要限制傳感器的視角，使其只覆蓋激光的范圍，避免這種情況。
圖10. 增加的傳感器視角的影響
7 濾光片帶通
光學帶通濾波器用于限制由激光波長范圍以外的光產生的環境噪聲。在這種情況下，濾光器的帶通范圍是50納米FWHM(全寬半長)。這允許更多波長的環境光通過SiPM，增加了測量的背景噪聲，惡化了SNRH，如圖11所示。在模型中，激光波長正好只有905納米，獲得的激光訊號不受帶通FWHM的影響。在實際系統中，激光中心波長可能有比較大的差異，這可能對帶通濾波器的選擇有影響。
圖11. 更寬的傳感器光學帶通的影響
8 SiPM微單元尺寸
圖12中的直方圖顯示了MicroFC-10035 SiPM相較MicroFC-10020的仿真性能。主要的影響是，在關注的波長處，PDE略有增加，導致訊號略微提高，而噪聲的相應增加較小。在這個測距距離和這個配置下，SiPM的這種變化對仿真直方圖沒有顯著影響。
圖12. 改變SiPM微單元尺寸的影響
9 到目標的距離
圖13中的圖迭加了距目標10米、15米、20米和25米處的直方圖。X軸上的訊號峰的間距對應于ToF=2*距離/c。隨著距離的增加，從激光器獲得的計數減少，因為傳感器上的激光光子密度以1/d2(其中d是傳感器與目標的距離)減少，但環境噪聲保持不變，因為從目標擴散回來的環境光子數量不隨距離變化。在30米處，使用這種配置已經不可能進行測距了。當然，可以對配置進行優化，以便在這個距離上進行測距(參考第15頁第3節的測距演示器建模到100米的設置，以模擬長距離的測距)。
圖13. 增加目標距離的影響
10 環境光
這里的環境光增加了10倍，達到100 klux。隨著打到傳感器上的環境光子數的增加和所有其他條件保持不變，每一次單次測量都會獲得更多的環境光子。整個畫面上每倉的噪聲計數相應增加，SNRH受到負面影響。圖14顯示，10米處的峰值仍可辨認，因此在此光照水平下，使用這種配置仍可進行測距，但現在的測距能力將被降低。相反，在低環境光下，由于噪聲計數較低，SNRH將得到改善。
圖14. 增加環境光的影響
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