[发明专利]光子计数校正方法、激光雷达以及计算机可读介质

说明书

本发明公开了一种用于单光子雪崩二极管阵列的光子计数校正方法，包括：通过所述单光子雪崩二极管阵列接收入射光脉冲；根据所述单光子雪崩二极管阵列的输出，获得所述入射光脉冲的光子计数；根据预设条件，校正所述入射光脉冲的光子计数。通过该光子计数校正方法，对于噪声较强和信号较强的情况，能够较好的测算回波信号应有的形状，从而得到更准确的距离和反射率结果，提高激光雷达的探测能力。该光子计数校正方法在硬件上实现简单，计算量小，开销小，对芯片的功耗与面积要求低。可以更准确的还原实际的入射光脉冲信号，从而可以得到更精确的测距信息。

技术领域

本发明涉及光电探测技术领域，尤其涉及用于单光子雪崩二极管阵列的光子计数校正方法、激光雷达以及计算机可读介质。

背景技术

激光雷达目前被广泛应用在无人驾驶领域，其中使用SPAD(单光子雪崩二极管)阵列作为激光雷达接收端可以直接输出数字信号而无需ADC处理，因而具有诱人前景。但是由于受到其器件特性以及其动态范围的影响，其中SPAD阵列的动态范围由阵列上包括的所有SPAD的数量决定，SPAD在用于测量飞行时间(TOF)和反射率时会受到较大影响，需要进行特殊的处理来克服其缺陷。SPAD一般是一个雪崩光电二极管与电阻串联的结构。对于光电二极管，当有光子被吸收后，形成的电子空穴对在空间电荷区内电子被加速得到足够的动能，通过碰撞电离形成二次电子空穴对，最终触发一个自永续电离级联，使得硅导电，产生电流。而SPAD尾部的串联电阻在光电二极管产生电流后，电阻会获得较高的分压使得二极管两端电压降低到击穿电压以下，从而阻止雪崩，随后二极管重新充电到击穿前状态，从而可以进行后续的光子探测。这个过程就决定了一个SPAD在探测到光子后会存在一段熄灭恢复时间。

这样的特性会导致，在入射光信号较强或者背景噪声极高时，由于在较短时间入射到SPAD阵列的光子计数较多，当一个SPAD被前面的光子被触发后，其余入射到该SPAD位置的光子暂时无法被触发该SPAD，这样SPAD被触发单光子雪崩二极管数会小于实际入射的光子计数。控制器对SPAD阵列进行信号采集和测量，具体地，控制器通过接收SPAD阵列上每个SPAD的光子检测信号并由此统计入射光子触发阵列上SPAD的数量，当由SPAD阵列接收到的回波信号出现一定程度的形变时，会导致如果使用信号的形状信息进行距离和反射率的测量会出现一定的误差。并且在接收回波信号较强或者处于较强噪声环境时，SPAD阵列内大部分单光子雪崩二极管会处于恢复状态，导致得到信号的形变极其严重，将严重影响其在激光雷达内功能的正常使用。

在公开的技术中，一种是利用在饱和不是非常严重情况下，脉冲前沿受到形变影响较小，结合一定的阈值通过前沿插值得到前沿到达时间。这里可能也会根据脉宽或者信号积分值对前沿时间作一定约束或补偿。一种是根据SPAD接收到信号的形变情况设计相应滤波器来进行处理根据出现形变后的波形形状特性，使用相应滤波器进行分类，从而区分出接收到的信号处于强饱和(形变非常严重)，弱饱和(有较弱形变)，或者未饱和(形变不明显)这三种波形形变程度由大到小的情况。然后再分别使用对应参数的滤波器分别处理恢复其信息。最终借助插值滤波得到信号精确的到达时间。

如果直接使用SPAD的信号：对于噪声较强和信号较强的情况会出现极大的偏差。同样，在SPAD采样频率不高时，其精度提升有限。使用了极大的滤波器开销，对功耗以及芯片面积要求较高，同时无法精准的恢复还原原始信号的细节，使用多级滤波器会丢失原始信息的一些信息，导致最终得到的结果精度无法达到应有的效果。另外各个滤波器参数的配置非常依赖测量环境，对于环境噪声变化大的情况可能需要配置更多滤波器参数，从而整个系统非常复杂。

发明内容

本发明设计了一种基于SPAD阵列发光特性对其光子计数进行校正的方法，根据该校正方法恢复出实际入射到SPAD阵列的光脉冲信号。去除了由于噪声和信号较强时造成波形严重形变，减小了距离和反射率的误差，同时提高了SPAD接收信号的饱和阈值。

本发明提供一种用于单光子雪崩二极管阵列的光子计数校正方法，包括：

a：通过所述单光子雪崩二极管阵列接收入射光脉冲；