单光子测距装置的制作方法

本实用新型涉及雷达测距技术领域，尤其涉及一种单光子测距装置。

背景技术：

在当前技术中，激光雷达测量距离主要采用三角以及tof（timeofflight）两种方式。但是上述两种方式均存在一些缺陷，三角应用范围有限，只能测量近距离，且精度较差；tof方案有相位以及脉冲两种方案，脉冲方案大范围用于雷达市场，脉冲方案特点为精度高、测距能力强、抗噪声能力强；脉冲方案主要由发射模块，接收模块，计时模块，处理控制模块组成，其中，发射模块采用脉冲激光器ld（laserdiode）发射激光脉冲，接收模块使用雪崩二极管（apd）接收ld发射的信号，处理控制模块使用单片机，计时模块使用tdc（time-to-digitalconverter）。工作原理：脉冲激光器ld发射激光的同时，tdc开始计时，激光经过被测物体表面发生漫反射，器件apd接收到ld发射的信号，经过电路放大，比较输出到tdc，tdc停止计时，此时，tdc记录激光发射到接收的时间t1，根据公式：距离=速度*时间（l=v*t），光速默认c=3*10^8m/s，此时两点间距离l=c*t1/2，单片机读取tdc数据，计算得出两点间距离，然后输出到显示屏或者其他外部设备。

对于上述方案而言，用于处理控制模块的mcu发出起始信号start，作为tdc开始计时信号，tdc检测接收信号上升沿作为结束计时信号stop，通过计算stop到start时间差，从而计算信号由发出到接收完成的时间差。当同一距离，有不同反射率标靶时，接收信号强度会发生变化，反射率高的目标，信号会强，反射率低的目标，信号会弱。当在同一位置出现信号强度不同，比较器门槛固定时，tdc计时的时间为两个不同的值，因此,信号前沿位置不同，导致精度偏差变大，无法满足高精度测距。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本实用新型的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

基于上述原因，本申请人提出了一种单光子测距装置，旨在解决上述问题。

技术实现要素：

为了满足上述要求，本实用新型的目的在于提供一种单光子测距装置，旨在能够实现高精度、高频率测距，可用于扫地机雷达、无人搬运车、自动引导车以及多线雷达等测距产品。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一方面，本实用新型提出了一种单光子测距装置，包括装置基座，安装于装置基座的马达，安装于装置基座的雷达机芯；所述雷达机芯与马达传动连接，所述马达通过传动机构驱动雷达机芯转动；

所述雷达机芯包括安装于装置基座的处理控制板，安装于处理控制板上端的雷达光机，安装于雷达光机并且与处理控制板电性连接的接收镜片，与处理控制板电性连接并且位于接收镜片侧边的发射镜片，安装于处理控制板上端并且与处理控制板电性连接的发射与计时电路板，以及安装于发射与计时电路板的单光子芯片。

在一个可能的实施方式中，所述装置基座设有用于安装雷达机芯的安装腔，所述装置基座设有用于安装马达的安装孔，所述马达通过紧固件与装置基架固定连接。

在一个可能的实施方式中，所述传动机构包括与马达输出轴连接的皮带轮，套设于皮带轮的传动皮带。

在一个可能的实施方式中，所述接收镜片、发射镜片与雷达光机通过点胶固定连接。

在一个可能的实施方式中，所述处理控制板通过紧固件固定于装置基架。

作为上述单光子测距装置的重要组成部分，本方案的测距装置使用单光子芯片作为信号接收，以及信号处理的器件。单光子芯片作为高精度测距的核心部分，在上述测距装置中占有重要位置。

相比于现有技术,本实用新型的有益效果在于：

一方面，单光子芯片工作触发的条件只存在两种情况->有\无，因此在同一个位置，不同反射率的目标，对于本方案而言，只存在是否接收到的情况，不存在接收信号大小的问题。但是采用现有技术中的tdc+apd做接收系统时，计时精度跟接收信号强弱有关，不同反射率目标，会造成精度偏差较大（其中，参考文件可见中国分类号：tn247、文献标识码：a、文章编号：1007-2276（2012）01-0096-05，学术论文《基于线阵apd探测器的脉冲式一维非扫描激光雷达系统》中资料，论文中指出采用tdc、apd作为接收系统时其分辨率大于10cm，平均测距标准偏差为8.6cm；

此外，本方案的有益效果支撑数据可见：中图分类号：tn249、文献标志码：a、文章编号：1007-2276(2014)02-0382-06的学术论文《单光子测距系统仿真及精度分析》，其记载了在10m左右的单光子系统测距精度达到了4mm。显然4mm的精度相对于tdc、apd系统的10cm的分辨率有了比较大的进步，也直接证明了上述效果的正确）。所以，本方案的单光子测距装置，比传统tdc+apd方案精度更高，具有更强的性能；

另一方面，本方案采用的单光子芯片可在设计时，将光噪声、电噪声设计成触发阈值，加上芯片算法优化，所以不存在误操作的问题。每次测距只需要完成一次测距，即可得到目标数据。但是tdc+apd方案，需要多次测量，滤波后得到平均值，时间比本方案长，显然，本方案适合用于高速高精度产品中；

另一方面，单光子芯片在温度变化时，呈现的是线性精度变化，不会因为信号的强弱，产生距离改变。通过温度传感器，找到变化曲线，即可在算法中加入精度变化偏移量，补偿温度变化带来的精度误差。但是，现有技术中的tdc+apd方案，因为离散料件以及apd增益的变化，很难将产品精度维持稳定。

此外，本方案的接收模块，只需要使用一颗单光子芯片，但tdc+apd方案中，需要tdc芯片、感光器件apd、比较器、放大电路、电阻以及电容等器件，显然本方案相比于现有技术节约了大量的成本。本方案接收尺寸远小于tdc+apd方案，在产品设计中，本方案集成度更高，有空间优势，可以做到更小，应用范围更广。

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步描述。

附图说明

图1是本实用新型一种单光子测距装置具体实施例的结构示意图；

图2是图1装置的装置基架结构示意图；

图3是本实用新型一种单光子测距装置的电子模组的框架组成示意图；

图4是本实用新型一种单光子测距装置的单光子芯片工作逻辑示意图;

图5是本实用新型一种单光子测距装置的单光子芯片的雪崩光电二极管伏安特性曲线图。

附图标记

100装置基座101安装腔

102安装孔103紧固件

200马达201传动机构

2011皮带轮2012传动皮带

300雷达机芯301处理控制板

302雷达光机303接收镜片

304发射镜片305发射与计时电路板

400结构底座401阶梯

500发射模块600计时模块

700处理控制模块

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不应理解为必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

一方面，如图1、图2所示的结构，为本实用新型提出的一种单光子测距装置，包括装置基座100，安装于装置基座100并且与装置基座100转动式连接的马达200，安装于装置基座100的雷达机芯300；所述雷达机芯300与马达200传动连接，所述马达200通过传动机构201驱动雷达机芯300转动；

所述雷达机芯300包括安装于装置基座100的处理控制板301，安装于处理控制板301上端的雷达光机302，安装于雷达光机302并且与处理控制板301电性连接的接收镜片303，与处理控制板301电性连接并且位于接收镜片303侧边的发射镜片304，安装于处理控制板301上端并且与处理控制板301电性连接的发射与计时电路板305，以及安装于发射与计时电路板305的单光子芯片。

其中，所述雷达机芯300为本方案测距装置的核心，包括但不限于上述所述的器件。

具体地，所述雷达机芯300可理解为一个包括多个电子元件的组合体，其设有一个用于安装电子元件的结构底座400（其中该结构底座与雷达机芯300固定连接，并且在装置基座100上以处理控制板301的几何中心为圆心转动，所述的安装腔101实质上也位于结构底座400上端），上述处理控制板301、雷达光机302等均按照工业设计的一般原则安装于结构上。

作为较佳的实施方式，单光子芯片作为信号接收，以及信号处理的器件，包括：接收器、接收信号比较电路以及计数器。如图4所示，为单光子芯片工作逻辑图。

其中，接收器：spad(singlephotonavalanchediode)，是一种工作在盖革模式下的雪崩二极管，其增益极高，通常称为单光子探测器。

如图5所示的雪崩光电二极管伏安特性曲线图，在盖革模式下，雪崩光电二极管吸收光子会产生电子-空穴对，在高反偏电压产生的强电场作用下电子-空穴对被加速，从而获得足够的能量，然后与晶格发生碰撞，形成连锁效应，结果形成大量的电子-空穴对，引发雪崩现象，导致电流成指数增长。此时spad的增益理论上是无穷的，单个光子就能够使spad的光电流达到饱和。在雪崩光电二极管的生产设计过程中，通过检测spad探测效率以及暗计数大小，实现了在spad内部设计相应电路，确保在spad检测到对应波长的激光能量后，能够输出二进制信号，确保信号的准确性。

为解释雪崩光电二极管的工作原理，光子探测效率(photondetectionefficiency，pde)是spad的参数之一，代表光子进入spad后能够引发雪崩并被探测到的平均概率，作为评价spad探测单光子信号能力的重要标准.有源区的pde等于外部量子效率与雪崩发生概率的乘积，其近似表达式为：

pde=η⋅ptrigger=η⋅(1−exp(−v/vb))

ptrigger表示一个光子发生雪崩击穿的概率,主要受过偏压的影响，在一定范围内pde会随过偏压的增大而增大，但也会造成暗计数的增大，影响探测器的噪声特性，暗计数的减小主要通过降低温度实现，工作温度越低，暗计数越小，但由于现实条件的限制，也无法使器件在过低温度下运行；外部量子效率η，主要与结面积和少数载流子的扩散长度有关。

为解释雪崩光电二极管的工作原理，倍增因子也是雪崩光电二极管工作时的一个重要部分，其中，倍增因子是指spad吸收光子后，雪崩电流与之前电流的比值，反应的是探测器对于信号的放大能力。spad理论的倍增因子为无穷大，实际测试中一般也在10000以上，雪崩后在1ps内即可达到饱和。

在spad的工作中，需要使用到暗计数，暗计数是指在单光子探测领域，杂散光（非信号光）和电噪声也会有被单光子探测器认为是有效光信号的可能性，在此领域内，这种误判被称作暗计数。通常情况下，热噪声和隧穿效应都会产生暗载流子，这是主要的噪声来源，暗载流子同样会引发spad雪崩，然而检测电路无法将其和入射光引发的雪崩区别开来，从而对他们同样进行计数，因此形成了虚假的光子计数，所以，想办法减少暗计数是spad设计过程中很重要的一点。

其次，同样在spad的工作中，光子进入spad后可以激发雪崩，为了保证spad正常工作，会有专门的电路控制spad的反向偏压降到雪崩电压以下，使雪崩淬灭，然后控制spad复位使其反向偏压恢复至初始状态，从而探测后面的光子。从雪崩淬灭开始到复位结束这段时间内，spad无法感应其它光子，因而成为死时间(deadtime)。死时间对探测频率和光子探测效率有着重要的影响，死时间越小，探测效率越高，被漏测的光子数量越少。

在单光子芯片的工作逻辑中，接收信号比较电路中，参考信号与接收信号比较，有效信号输出到tdc计时电路中，从而完成信号采集。接收器spad在检测到经由目标反射后的信号后，会在内部进行处理并转换成信号，输出到接收处理信号比较电路中，且得益于spad在盖格模式的强大增益效果，使得信号能够以二进制形式输出，信号上升沿小于1ps，从而达到精准检测不同反射率信号。

同样在单光子芯片的工作逻辑中，记录开始发射脉冲到收到结束脉冲的时间，作用是将甄别器输出的脉冲累计起来并予以显示。主要采用tdc计时单元，发射信号start发出同时，tdc开始计数，收到结束信号stop，停止计时，计数器将所测得计数值发送输出。

基于上述单光子芯片的各个组成部分的工作逻辑，本方案中采用了单光子芯片作为实施测距的一个重要硬件手段，以使本方案的测距装置相对于现有技术获得精度更高、节约成本、接收尺寸远小于tdc+apd方案、集成度更高、空间优势、尺寸小，应用范围广等优势。

作为较佳的实施方式，所述结构底座400与装置基座100之间的摩擦力需保持在较低的水平，以防止雷达机芯300无法转动。

如图2所示的实施例中，作为装置基座的一个可选方式，所述装置基座100设有用于安装雷达机芯300的安装腔101，所述装置基座100设有用于安装马达200的安装孔102，所述马达200通过紧固件103与装置基架100固定连接。

其中，所述紧固件103可采用但不限于螺栓、螺柱、螺钉、螺母、自攻螺钉、木螺钉、垫圈、挡圈、销、铆钉、组合件和连接副、焊钉。

如图2所示的实施例，为本方案一个可能的实施方式，所述传动机构201包括与马达200输出轴连接的皮带轮2011，套设于皮带轮2011的传动皮带2012；

作为传动连接的必要特征，所述结构底座400设有用于安装传动皮带2012的阶梯401，所述装置基架100安装有装置上盖（图中未示出），所述装置上盖设有用于限制传动皮带2012的环形凸起，所述阶梯401的上端与环形凸起相接触。

作为较佳的实施方式，所述接收镜片303、发射镜片304与雷达光机302通过点胶固定连接。

在一个可能的实施方式中，所述处理控制板301通过紧固件固定于装置基架100（此处为固定于与装置基架100转动连接的结构底座400）。其中，所述紧固件可采用但不限于螺栓、螺柱、螺钉、螺母、自攻螺钉、木螺钉、垫圈、挡圈、销、铆钉、组合件和连接副、焊钉。

另一方面，为使上述单光子测距装置的电子模组有一个清楚的轮廓，如图3所示，本实用新型还公开了上述单光子测距装置的电子模块，包括发射模块500，计时模块600，以及与发射模块500、计时模块600耦合的处理控制模块700；所述处理控制模块700包括处理控制板，所述计时模块600包括单光子芯片以及接收镜片，所述发射模块500包括脉冲激光器以及发射镜片。

具体地，所述处理控制模块700向计时模块发送控制信号，所述计时模块600向处理控制模块700回传数据，所述发射模块500接收来自于处理控制模块700的激光发射信号。

作为上述模块的实施基础，所述处理控制模块700发射激光控制信号，所述脉冲激光器与发射镜片配合发射激光，所述单光子芯片启动计时；

当所述激光经过反射到达单光子芯片时，所述单光子芯片记录激光发射到接收的时间，所述处理控制模块700读取单光子芯片的数据，并计算装置与物体之间的距离。

所述装置与物体之间的距离为光速与激光发射到接收的时间的一半之乘积。

具体地，单光子芯片记录激光发射到接收的时间t1，根据速度公式：距离=速度*时间（l=v*t），光速默认c=3*10^8m/s，此时两点间距离（装置到物体）l=c*t1/2，得到两点间距离，然后输出到显示屏或者其他外部设备，以实现测距。

在另一个方面，为使本实用新型的装置的安装原理清楚明了,本实用新型还提供了上述单光子测距装置的安装调试方法，包括以下步骤：

将马达与装置基架的一端相抵，锁入螺丝使马达与装置基架固定；

将处理控制板装入装置基架的安装腔，使用螺丝固定；

将接收镜片点胶固定在雷达光机；

将发射与计时电路板安装于处理控制板，使用处理控制板控制发射与计时电路板，驱动发射激光器工作；使用摄像头，在电脑上观察发射光斑大小，通过调整发射镜片的前后位置，将发射光斑调到最小，点胶固定发射镜片；

在距离装置第一阈值距离处放置标靶，通过移动发射与计时电路板，使得处理控制板能够接收到第一阈值距离处的有效数据；若处理控制板接收到有效数据，点胶固定发射与计时电路板；

在距离装置第二阈值距离处放置标靶，对准第二阈值距离处的标靶，测试产品精度，使用上位机补偿精度误差，并存入装置；

将转动皮带放入马达连接的皮带轮，装置上盖锁定在装置基座上，完成装置的全部组装。

在一个较佳的实施方式中，所述第一阈值距离为8米，所述第二阈值距离为1米。

作为安装调试方法的基础，本方案中的雷达光机负责测量距离，可以测到光机到被测目标的距离，采样频率8k；

马达转动，转速5-10hz通过转动皮带连接雷达光机，带动光机转动。在转动的过程中，雷达光机测到0-360°所有发射并返回的目标距离；

处理控制模块将被测数据通过串口，发送到上位机，或者其它接收设备。

具体地，本方案的调试步骤也是基于上述电子模块的部分实现，本实用新型的结构实施例可作为上述模块的实际载体。

需要说明的是，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，上述电子模块的具体实现过程，可以参考前述方法实施例中的相应描述，为了描述的方便和简洁，在此不再赘述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。

专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本实用新型的范围。所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的装置和模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本实用新型所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的模块，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的模块实施例仅仅是示意性的。例如，各个模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。例如一个以上模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

本实用新型实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其他各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变应该属于本实用新型权利要求的保护范围之内。