4. SPAD接收链路组成

在SPAD ToF接收系统中，从目标反射回来的光脉冲极其微弱，可能只有几个到几百个光子。接收链路的任务，就是把这极微弱的光信号，经过收集、滤波、探测、淬灭、时间量化，最终变成可供测距算法使用的数字时间戳。整条链路可以概括为六个环节：光学收集 → 滤光片 → SPAD探测器 → 淬灭电路 → 时间数字转换器（TDC） → 数据接口。任何一个环节的带宽、效率或噪声特性，都会直接反映到最终的测距精度与量程上。

一、核心原理：从光子到时间戳的转换

SPAD（单光子雪崩二极管）工作在盖革模式下，偏置电压高于击穿电压。当一个光子被吸收并产生电子-空穴对时，在强电场作用下触发雪崩，形成可被外部电路检测的宏观电流脉冲。这个脉冲的上升沿，就是光子到达时刻的物理标志。

接收链路的核心任务，是把这个“光子到达”事件，尽可能精确地映射为数字时间戳。具体来说：光学系统负责把回波光子汇聚到SPAD感光面；滤光片负责在光谱维度上抑制背景光；SPAD完成光电转换；淬灭电路负责快速终止雪崩并使探测器恢复到可探测状态；TDC测量激光发射时刻与SPAD脉冲之间的时间差；数据接口把时间戳或直方图数据传给后端处理。

二、方法流程：六环节的工程实现

1. 光学收集：使用大口径接收透镜或菲涅尔透镜，尽量匹配发射视场。接收口径越大，回光能量越多，但视场和背景光也会增大，需要权衡。
2. 滤光片：在探测器前放置窄带干涉滤光片，中心波长与激光匹配（如905 nm），带宽通常为 10～50 nm。带宽越窄，背景光抑制越好，但对入射角敏感。
3. SPAD探测器：关注光子探测效率（PDE）、暗计数率（DCR）、死区时间、击穿电压温度系数。PDE越高，弱回波下有效计数越多。
4. 淬灭电路：被动淬灭靠大电阻自然恢复，简单但恢复慢；主动淬灭通过反馈快速降低偏压并复位，死区时间可缩短到几纳秒，适合高计数率场景。
5. TDC：常用抽头延迟线或环形振荡器结构，分辨率可达几十皮秒。需要关注量程、线性度、死区与多通道一致性。
6. 数据接口：输出原始时间戳、直方图或飞行时间。SPI适合低速配置，LVDS/MIPI适合高速多通道数据流。

三、案例场景：905 nm 激光雷达接收链路

以一台905 nm近红外ToF激光雷达为例，发射端使用纳秒级脉冲激光，接收端采用如下配置：

光学口径：25 mm 接收透镜
滤光片：905 nm 窄带，FWHM = 20 nm，OD4 截止
SPAD：PDE ≈ 10% @ 905 nm，DCR ≈ 100 cps，死区 ≈ 20 ns
淬灭：主动淬灭，恢复时间 ≈ 5 ns
TDC：分辨率 50 ps，量程 200 ns，多通道 8 路
接口：LVDS 输出直方图，帧率 100 fps

在该配置下，若目标距离为 10 m，飞行时间约为 66.7 ns。TDC量程200 ns对应最大约30 m无模糊距离。若环境光较强，滤光片将大部分非905 nm光滤除，SPAD的DCR和背景光计数被控制在可接受范围。若淬灭恢复时间过长，强回波后会出现死区，导致近距离目标漏检。

四、常见误区与复盘

五、链路参数速查清单