CN107505608B - 激光雷达阵列接收器前端读出集成电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光雷达阵列接收器前端读出集成电路(100)，包括：模拟前端电路(120)、位置检测器(130)、1024路开关选择器(140)、4路模拟输出缓冲器(150)、分频器(160)、像元位置信号读出电路(170)、时钟信号端(CLK)、移位使能信号端(EN_SHIFT)；本发明激光雷达阵列型接收器前端读出集成电路可检测面阵列中任意四个相邻位置受光照像元光功率强度，以及输出受光照像元在面阵列中的位置信息。对光电流所采用的模拟前端信号处理方式，方法简单可靠。本发明采用阵列光电检测器消除了传统4象限或者8象限激光雷达接收器探测范围窄，视场小的应用限制。
Description
技术领域
本发明属于激光雷达技术领域，具体涉及一种激光雷达阵列接收器前端读出集成电路。
背景技术
在航空航天，造船，轨道交通、高端制造等领域中，位置检测激光雷达广泛应用于目标跟踪和定位。位置检测激光雷达主要由激光发射器，接收器，信号处理模块和显示构成，其中接收器是激光雷达的核心部件之一，接收器系统结构由光电二极管以及前端读出电路组成。传统的位置检测器激光雷达接收器按光电检测像元排列结构分为：四象限和八象限单元，每一个象限单元为一个分立光电二极管，四象限探测器的光敏面窗口分布为四个面积相等、形状相同、位置对称的四个象限，每个象限为一个光电器件，照射在光敏面上的光斑被四个象限分为四个部分，根据像元接收到的光功率，输出四路光电流，前端读出电路对每个象限光电二极管的输出光电流进行放大并转换为电压信号，最后利用和差电路来测定目标相对于光轴的偏移量大小和偏移量方位，从而控制相应的机械转动部分使传感器对准目标。传统位置探测器受光电检测器件的数目限制，为获取大探测视场，需采用复杂的光学系统设计，但这种方式获取的视场越大，其线性度越差，为后续获得精确位置信息带来困难。为获取更大视场，减小光学设计的复杂度，本发明采用面阵列APD光电二极管作为光电敏感器件，扩大了激光雷达探测的视场，像元光电二极管工作在线性模式，前端采用读出集成电路对面阵光电流进行线性放大处理，并实时获取面阵APD像元位置信息。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种激光雷达阵列接收器前端读出集成电路。
本发明的一个实施例提供了一种激光雷达阵列接收器前端读出集成电路100，包括：模拟前端电路120、位置检测器130、1024路开关选择器140、4路模拟输出缓冲器150、分频器160、像元位置信号读出电路170、时钟信号端CLK、移位使能信号端EN_SHIFT；其中，
所述模拟前端电路120的输入端输入电信号iin，所述模拟前端电路120的输出端分别与所述位置检测器130的第一输入端和所述1024路开关选择器140的第一输入端电连接；
所述位置检测器130的第二输入端与所述分频器160的输出端电连接，且其第一输出端与所述1024路开关选择器140的第二输入端和所述像元位置信号读出电路170的第一输入端电连接并输出并行行信号DROW<1:32>，其第二输出端分别与所述1024路开关选择器140的第三输入端和所述像元位置信号读出电路170的第二输入端电连接并输出并行列信号DCOL<1:32>；
所述分频器160的输入端与所述时钟信号端CLK电连接；
所述1024路开关选择器140的四个输出端分别对应与所述4路模拟输出缓冲器150的四个输入端电连接；
所述像元位置信号读出电路170的第三输入端与所述时钟信号端CLK电连接，其第四输入端与所述移位使能信号端EN_SHIFT电连接，且其两个输出端分别输出串行行信号DROW，series和串行列信号DCOL，series；
所述4路模拟输出缓冲器150的四个输出端分别输出四路电压信号VOUT,1，VOUT,2,，VOUT,3，VOUT,4。
在本发明的一个实施例中，所述模拟前端电路120包括多个跨阻放大器121i,j，每个跨阻放大器121i,j的输入端输入所述电信号iin,ij，所述跨阻放大器121i,j的输出端输出脉冲信号VTIA,OUT<i,j>。
在本发明的一个实施例中，所述位置检测器130包括：阈值电压产生电路131、时钟边沿检测电路132、多个位置信号产生电路133；其中，
所述时钟边沿检测电路132的输入端与所述分频器160的输出端电连接以输入复位信号RESET；
每个所述位置信号产生电路133的第一输入端与所述阈值电压产生电路131的输出端电连接，其第二输入端和所述时钟边沿检测电路132的输出端电连接，其第三输入端与所述模拟前端电路120的输出端电连接以输入脉冲信号VTIA,OUT<i,j>；且其两个输出端分别输出所述并行行信号DROW<i>和所述并行列信号DCOL<j>。
在本发明的一个实施例中，所述位置信号产生电路133包括：像元通道检测比较器1331i,j，RS触发器1332i,j，第一反相器1333i,j，第二反相器1334i,j；其中，
所述像元通道检测比较器1331i,j的反相输入端与所述阈值电压产生电路131的输出端电连接，其正相输出端与所述模拟前端电路120的输出端电连接，且其输出端与所述RS触发器1332i,j的置位端S电连接；
所述RS触发器1332i,j的复位端R与所述时钟边沿检测电路132的输出端电连接，且其输出端分别与所述第一反相器1333i,j的输入端和第二反相器1334i,j的输入端电连接；
所述第一反相器1333i,j的输出端输出所述并行行信号DROW<i>，所述第二反相器1334i,j的输出端输出所述并行列信号DCOL<j>。
在本发明的一个实施例中，所述4路模拟输出缓冲器150包括：奇行奇列缓冲器151、奇行偶列缓冲器152、偶行奇列缓冲器153、偶行偶列缓冲器154；其中，所述奇行奇列缓冲器151的输入端、所述奇行偶列缓冲器152的输入端、所述偶行奇列缓冲器153的输入端、所述偶行偶列缓冲器154的输入端分别与所述1024路开关选择器140的输出端电连接，所述奇行奇列缓冲器151的输出端、所述奇行偶列缓冲器152的输出端、所述偶行奇列缓冲器153的输出端、所述偶行偶列缓冲器154的输出端分别输出所述四路电压信号VOUT,1，VOUT,2,，VOUT,3，VOUT,4。
在本发明的一个实施例中，所述像元位置信号读出电路170包括：32位计数器171、32位行寄存器172、32选1数据行选择器173、32位列寄存器174、32选1数据列选择器175；其中，
所述32位计数器171的两个输入端分别与所述时钟信号端CLK和所述移位使能信号端EN_SHIFT电连接，其5个输出端分别与所述32选1数据行选择器173的5个控制端A0,A1,A2,A3,A4和32选1数据列选择器175的5个控制端A5,A6,A7,A8,A9电连接；
所述32位行寄存器172的输入端输入所述并行行信号DROW<1:32>，其32个输出端与所述32选1数据行选择器173的32个输入端分别电连接；
所述32选1数据行选择器173的输出端输出所述串行行信号DROW，series；
所述32位列寄存器174的输入端输入所述位置检测器130输出的所述并行列信号DCOL<j>，其32个输出端与所述32选1数据列选择器175的32个输入端电连接，且其输出端输出所述串行列信号DCOL，series。
本发明的另一个实施例提供了一种激光雷达阵列接收器10，包括：APD光电检测器像元阵列200、上述实施例中任一项所述的激光雷达阵列接收器前端读出集成电路100；其中，所述APD光电检测器像元阵列200的输入端接收回波光信号，其输出端与所述前端读出集成电路100的输入端电连接，所述激光雷达阵列接收器前端读出集成电路100的输出端输出四路电压信号VOUT,1，VOUT,2,，VOUT,3，VOUT,4。
在本发明的一个实施例中，所述APD光电检测器像元阵列200的输出端与所述前端读出集成电路100的输入端电连接的方式包括：金丝焊接、铟柱连接、多芯片封装连接、三维集成连接。
在本发明的一个实施例中，所述回波光信号光斑每次至多照射在所述APD光电检测器像元阵列200中四个相邻光电检测器像元201i,j，201i,j+1，201i+1,j，201i+1,j+1的光敏面上，光斑直径与单个所述光电检测器像元201i,j尺寸相同。
本发明的另一个实施例提供了一种激光雷达系统，包括：监视器20、后端信号处理模块30、接收模块70，其中，所述接收模块70包括：光学元件300、上述实施例中任一项所述激光雷达阵列接收器10；
所述发射模块40的输出端发射光信号，所述激光雷达阵列接收器10的输入端接收回波光信号，所述激光雷达阵列接收器10的输出端与所述后端信号处理模块30的输入端电连接，所述后端信号处理模块30的第一输出端与所述发射模块40的输入端电连接，所述后端信号处理模块30的第二输出端与所述监视器20的输入端电连接。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明线性模式光接收器获取目标表面所反射回来的光辐射强度，采用面阵列光电转换器模块对光信号进行接收并行处理，无需扫描机构，探测范围宽；
2、本发明所述激光雷达接收器光电检测器可以在任意四个相邻位置接收脉冲回波信号，接收器读出集成电路输出四路模拟电压，所述接收器能够与传统4象限或8象限激光雷达接收器兼容，适应性好；
3、本发明所述模拟前端读出集成电路能够输出受光照像元在面阵中的行列位置信号；
4、本发明所使用光电检测器件为雪崩光电二极管(APD)，可满足微弱电信号的灵敏度要求，探测距离远；
5、本发明所对光电流所采用的模拟前端信号处理方式，方法简单可靠，可将光功率的模拟量和回波到达接收器的时刻信号进行数字化处理，简化了成像激光雷达后端信号处理；
6、本发明消除了传统4象限或者8象限激光雷达接收器探测范围窄，视场小的应用限制。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种激光雷达阵列接收器电路结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种模拟前端电路结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种位置检测器电路结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种开关选择器电路结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种1024路开关阵列器件电路结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种4路模拟输出缓冲器电路结构原理框图；
图7为本发明实施例提供的一种4路模拟输出缓冲器电路结构示意图；
图8为本发明实施例提供的一种模拟输出缓冲器电路结构示意图；
图9为本发明实施例提供的一种像元位置信号读出电路结构示意图；
图10为本发明实施例提供的一种激光雷达阵列接收器结构原理框图；
图11为本发明实施例提供的一种激光雷达系统结构原理框图；
图12为本发明实施例提供的一种激光雷达系统电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种激光雷达阵列接收器电路结构示意图，包括APD光电检测器像元阵列200和前端读出集成电路100；所述前端读出集成电路用于将激光雷达阵列接收器中任意四个相邻位置光电检测器检测到的光信号转换为4路电压信号进行输出，并输出受光照像元在面阵列接收器中的位置信号。
所述前端读出集成电路100包括：模拟前端电路120、位置检测器130、1024路开关选择器140、4路模拟输出缓冲器150、分频器160、像元位置信号读出电路170、时钟信号端CLK、移位使能信号端EN_SHIFT；其中，
所述模拟前端电路120的输入端输入电信号iin，所述模拟前端电路120的输出端分别与所述位置检测器130的第一输入端和所述1024路开关选择器140的第一输入端电连接；
所述位置检测器130的第二输入端与所述分频器160的输出端电连接，分频器160的输出信号为位置检测器130的复位信号RESET；且其第一输出端与所述1024路开关选择器140的第二输入端和所述像元位置信号读出电路170的第一输入端电连接并输出并行行信号DROW<1:32>；且其第二输出端分别与所述1024路开关选择器140的第三输入端和所述像元位置信号读出电路170的第二输入端电连接并输出并行列信号DCOL<1:32>；
所述分频器160的输入端与所述时钟信号端CLK电连接；
所述1024路开关选择器140的四个输出端分别对应与所述4路模拟输出缓冲器150的四个输入端电连接；
所述像元位置信号读出电路170的第三输入端与所述时钟信号端CLK电连接，其第四输入端与所述移位使能信号端EN_SHIFT电连接；且其两个输出端分别输出串行行信号DROW，series和串行列信号DCOL，series；
所述4路模拟输出缓冲器150的四个输出端分别输出四路电压信号VOUT,1，VOUT,2,，VOUT,3，VOUT,4。
其中：所述APD光电检测器像元阵列200像元用于完成光信号到电流信号转换，APD光电检测器像元为雪崩光电二极管APD；所述模拟前端电路120用于放大上述脉冲光电流信号，并转换为电压信号；位置检测电路130用于获取受光照像元所在APD光电检测器像元阵列200中的位置信号；1024路开关选择器140用于将模拟前端电路120的输出电压信号传送至4路模拟输出缓冲器；4路模拟输出缓冲器150用于将模拟电压输出接收器外，提供给片外信号处理，所述4路模拟输出缓冲器150还用于接收器与外接负载进行阻抗匹配；分频器160用于将高频时钟信号进行分频，产生复位信号；像元位置信号读出电路170用于将上述并行位置信号转换为串行输出信号。
请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种模拟前端电路结构示意图；其中，所述模拟前端电路120包括多个跨阻放大器121i,j，每个跨阻放大器121i,j的输入端输入所述电信号iin,ij，所述跨阻放大器121i,j的输出端输出脉冲信号VTIA,OUT<i,j>。
其中，模拟前端电路接收器通道数与APD像元数目相同；所述APD光电检测器像元阵列200中第i行，第j列APD像元201i,j与模拟前端电路120第i行，第j列跨阻放大器121i,j；APD像元201i,j的阳极连接共模电源电压VCOM,HV，APD像元201i,j的阴极连接跨阻放大器121i,j的输入端，跨阻放大器121i,j的输出端为VTIA,OUT<i,j>，其中，i，j为1到32之间的整数。
其中，每一个跨阻放大器121i,j的输入端连接一个APD像元的输出端，跨阻放大器121i,j的输出电压表征像元检测到激光雷达回波光信号的功率大小；且激光雷达接收器每接收一次回波光信号，多通道跨阻放大器121i,j的输出最多输出4路电压信号；激光雷达回波光信号的功率大小与目标的反射率，大气散射、湍流，以及激光雷达发射器功率有关；跨阻放大器121i,j输出电压大于阈值电压，表示该像元检测到光信号，并输出逻辑电平。
请参见图3，图3为为本发明实施例提供的一种位置检测器电路结构示意图；其中，所述位置检测器130包括：阈值电压产生电路131、时钟边沿检测电路132、多个位置信号产生电路133；
其中，所述时钟边沿检测电路132的输入端与所述分频器160的输出端电连接以输入复位信号RESET；
每个所述位置信号产生电路133的第一输入端与所述阈值电压产生电路131的输出端电连接，其第二输入端和所述时钟边沿检测电路132的输出端电连接，其第三输入端与所述模拟前端电路120的输出端电连接以输入脉冲信号VTIA,OUT<i,j>；且其两个输出端分别输出所述并行行信号DROW<i>和所述并行列信号DCOL<j>。
其中，所述位置信号产生电路133包括：像元通道检测比较器1331i,j，RS触发器1332i,j，第一反相器1333i,j，第二反相器1334i,j；其中,
所述像元通道检测比较器1331i,j的反相输入端与所述阈值电压产生电路131的输出端电连接，其正相输出端与所述模拟前端电路120的输出端电连接，且其输出端与所述RS触发器1332i,j的置位端S电连接；
所述RS触发器1332i,j的复位端R与所述时钟边沿检测电路132的输出端电连接；且其输出端分别与所述第一反相器1333i,j的输入端和第二反相器1334i,j的输入端电连接；
所述第一反相器1333i,j的输出端输出所述并行行信号DROW<i>，所述第二反相器1334i,j的输出端输出所述并行列信号DCOL<j>。
请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种开关选择器电路结构示意图；1024路开关选择器140第i行，第j列开关器141i,j为三端器件，1024路开关至多开启阵列中上下左右相邻四路，用于将检测到的模拟电压分别送至4路模拟缓冲器150的输入；每一路开关141i,j为三端器件，分别是：输入端、控制端、输出端；每一路开关141i,j的输入连接每一个跨阻放大器121i,j的输出。
请参见图5，图5为本发明实施例提供的一种1024路开关阵列器件电路结构示意图；所述1024开关阵列器件140，包括：第一组开关器件141，第二组开关器件142，第三组开关器件143，第四组开关器件144，编码器145；其中编码器145用于将所述并行行信号DROW<i>、并行列信号DCOL<j>进行编码，得到1024路控制信号CTL<1:1024>，所述控制信号CTL<1:1024>分别与所述1024路开关器件141i,j的控制端控制开关器件的导通或者关断；所述1024路模拟输出电压VTIA,OUT<i,j>被分成4组，阵列中单行单列的模拟输出电压分别与第一组开关器件141的输入端电连接，第一组开关器件141的输出端连接在一起为输出缓冲器第一缓冲信号VBUFFER,1,in；阵列中单行偶列的模拟输出电压分别与第二组开关器件142的输入端电连接，第二组开关器件142的输出端连接在一起输出为第二缓冲信号VBUFFER,2,in；阵列中偶行单列的模拟输出电压分别与第三组开关器件143的输入端电连接，第三组开关器件143的输出端连接在一起输出为第三缓冲信号VBUFFER,3,in；阵列中偶行偶列的模拟输出电压分别与第四组开关器件144的输入端电连接，第四组开关器件144的输出端连接在一起输出为第三缓冲信号VBUFFER,4,in。
请参见图6、图7，图6为本发明实施例提供的一种4路模拟输出缓冲器电路结构原理框图；图7为本发明实施例提供的一种4路模拟输出缓冲器电路结构示意图；其中，所述4路模拟输出缓冲器150包括：奇行奇列缓冲器151、奇行偶列缓冲器152、偶行奇列缓冲器153、偶行偶列缓冲器154；其中，
所述奇行奇列缓冲器151的输入端、所述奇行偶列缓冲器152的输入端、所述偶行奇列缓冲器153的输入端、所述偶行偶列缓冲器154的输入端分别与所述1024路开关选择器140的输出端电连接，所述奇行奇列缓冲器151的输出端、所述奇行偶列缓冲器152的输出端、所述偶行奇列缓冲器153的输出端、所述偶行偶列缓冲器154的输出端分别输出所述四路电压信号VOUT,1，VOUT,2,，VOUT,3，VOUT,4。
其中，奇行奇列缓冲器151输入所述第一缓冲信号VBUFFER,1,in，奇行偶列缓冲器152输入第二缓冲信号VBUFFER,2,in，偶行奇列缓冲器153输入第三缓冲信号VBUFFER,3,in，偶行偶列缓冲器154输入第四缓冲信号VBUFFER,4,in。
请参见图8，图8为本发明实施例提供的一种模拟输出缓冲器电路结构示意图；所述模拟输出缓冲器可以为所述奇行奇列缓冲器151、所述奇行偶列缓冲器152、所述偶行奇列缓冲器153、所述偶行偶列缓冲器154的任意一种。以奇行奇列缓冲器151为例，该奇行奇列缓冲器151包括：第一电流源Isum、第二电流源Ibias1、第三电流源Ibias2、第一晶体管M1、第二晶体管M2、电压端VDD、接地端GND，其中：所述第一电流源Isum的输入端输入所述第一缓冲信号VBUFFER,1,in，所述第一电流源Isum输出端与所述接地端GND电连接；所述第一晶体管M1与所述第二电流源Ibias1依次串接于所述电压端VDD和所述接地端GND之间；所述第三电流源Ibias2与所述第二晶体管M2依次串接于所述电压端VDD和所述接地端GND之间；所述第二晶体管M2的控制端与所述第二电流源Ibias1的输入端电连接，所述第三电流源Ibias2输出端输出电压信号Vout。
该电压缓冲工作原理：M1和M2构成共源级放大电路，电压增益近似为1。
请参见图9，图9为本发明实施例提供的一种像元位置信号读出电路结构示意图；其中，所述像元位置信号读出电路170包括：32位计数器171、32位行寄存器172、32选1数据行选择器173、32位列寄存器174、32选1数据列选择器175；其中，
所述32位计数器171的两个输入端分别与所述时钟信号端CLK和所述移位使能信号端EN_SHIFT电连接，其5个输出端分别与所述32选1数据行选择器173的5个控制端A0,A1,A2,A3,A4和32选1数据列选择器175的5个控制端A5,A6,A7,A8,A9电连接；
所述32位行寄存器172的输入端输入所述位置检测器130输出的所述并行行信号DROW<1:32>，其32个输出端与所述32选1数据行选择器173的32个输入端分别电连接；
所述32选1数据行选择器173的输出端输出所述串行行信号DROW，series；
所述32位列寄存器174的输入端输入所述位置检测器130输出的所述并行列信号DCOL<j>，其32个输出端与所述32选1数据列选择器175的32个输入端电连接，且其输出端输出所述串行列信号DCOL，series。
其中，所述并行行信号DROW<1:32>和所述串行列信号DCOL，series即为电路串行输出像元的行地址码和列地址码。
本实施例的有益效果为：
1、本实施例性模式光接收器获取目标表面所反射回来的光辐射强度，采用面阵列光电转换器模块对光信号进行接收并行处理，无需扫描机构，探测范围宽；
2、本实施例所述激光雷达接收器光电检测器可以在任意四个相邻位置接收脉冲回波信号，接收器读出集成电路输出四路模拟电压，所述接收器能够与传统4象限或8象限激光雷达接收器兼容，适应性好；
3、本实施例所述模拟前端读出集成电路能够输出受光照像元在面阵中的行列位置信号；
4、本实施例所使用光电检测器件为雪崩光电二极管(APD)，可满足微弱电信号的灵敏度要求，探测距离远；
5、本实施例所对光电流所采用的模拟前端信号处理方式，方法简单可靠，可将光功率的模拟量和回波到达接收器的时刻信号进行数字化处理，简化了成像激光雷达后端信处理；
6、本实施例消除了传统4象限或者8象限激光雷达接收器探测范围窄，视场小的应用限制。
实施例二
请参见图10，图10为本发明实施例提供的一种激光雷达阵列接收器结构原理框图，该激光雷达阵列接收器10，获取目标表面所反射回来的光辐射强度，以及回波照射在激光雷达阵列接收器面阵列光电检测器上的位置，并输出位置信号，可应用于目标的定位与跟踪。
该激光雷达阵列接收器10包括：APD光电检测器像元阵列200、如上述实施例所述的激光雷达阵列接收器前端读出集成电路100；其中，所述APD光电检测器像元阵列200的输入端接收回波光信号，其输出端与所述前端读出集成电路100的输入端电连接，所述激光雷达阵列接收器前端读出集成电路100的输出端输出四路电压信号VOUT,1，VOUT,2,，VOUT,3，VOUT,4。
其中，所述APD光电检测器像元阵列200的输出端与所述前端读出集成电路100的输入端电连接的方式包括：金丝焊接、铟柱连接、多芯片封装连接、三维集成连接。
其中，所述APD光电检测器像元阵列200为面阵列，所述面阵列的行数和列数均为32，且所述APD光电检测器像元阵列200中每四个相邻像元位置排列方式为上下左右四象限结构。回波光信号即脉冲激光回波的光斑至多照射在四个相邻像元201i,j，201i,j+1，201i+1,j，201i+1,j+1的光敏面上，光斑直径与单个像元201i,j尺寸相同；每个像元均有独立的前端跨阻放大器、位置检测器。
其中，所述APD光电检测器像元工作在一定的反向偏置条件下，工作模式为线性模式，即输出电流与输入光功率成线性比例；APD面阵列中每一个像元被分配一个在面阵列中的地址码，分别为行地址码、列地址码。
实施例三
请参见图11、图12，图11为本发明实施例提供的一种激光雷达系统结构原理框图，图12为本发明实施例提供的一种激光雷达系统电路结构示意图，激光雷达系统包括：监视器20、后端信号处理模块30、发射模块40、接收模块70；其中，所述接收模块70包括：光学元件300、如上述实施例所述的激光激光雷达阵列接收器10；
所述发射模块40的输出端发射光信号，所述激光雷达阵列接收器10的输入端接收经所述光学元件300汇聚的回波光信号，所述激光雷达阵列接收器10的输出端与所述后端信号处理模块30的输入端电连接，所述后端信号处理模块30的第一输出端与所述发射模块40的输入端电连接，所述后端信号处理模块30的第二输出端与所述监视器20的输入端电连接。
其中，所述光学元件300用于将回波信号汇聚为一个光点400，光点400直径与像元尺寸相等；激光雷达阵列接收器10用于将脉冲回波信号转换为四路模拟电压信号，并输出受光照射像元在面阵中的行列位置信号；激光雷达阵列接收器10中每4个相邻像元500(也即上述实施例中201i,j，201i,j+1，201i+1,j，201i+1,j+1)排列成象限结构。
其中，所述发射模块40为发射脉冲激光照射目标区60，目标区60中目标50反射激光，激光雷达阵列接收器10用于接收脉冲回波信号，并转换为电学信号；所述后端信号处理模块30包括：数字信号处理+控制电路+系统时钟，用于处理上述电学信号，完成定位运算，并产生系统时钟信号以及发射模块40发射激光脉冲的触发信号。所述监视器20用于显示目标50在目标区60中的位置。
当接收器工作时，每个APD像元均处于待机模式，等待检测目标激光回波脉冲的照射。激光回波通过光学透镜控制，回波光点最多只照射到相邻2×2像元APD上；所述APD光电检测器像元阵列200接收光信号，所述光信号读出集成电路100需要将4个受光照APD产生的光生电流放大为模拟电压值输出；同时，当APD光电检测器像元阵列200中APD像元检测到光信号后，由上述位置检测器130给出触发信号，APD像元在APD光电检测器像元阵列200中的行、列位置编码信息并行存储在寄存器中，然后由外部系统给出指令，行列位置信号DROW，series和DCOL，series将串行读出；32×32象元的输出采用多路复用开关与输出4个模拟电压缓冲器相连，因此读出芯片的输出仍然保持4路模拟输出，与传统四象限传感器输出一致，方便系统设计，根据上述受光照像元的位置以及4路模拟输出电压的值进行后端信号处理，测定目标相对于光轴的偏移量大小和偏移量方位。
实施例四
本实施例提供了一种模拟前端信号处理方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、光电转换：光电检测器像元阵列中四个任意四个像元接收器回波光信号，并将该光信号转换为4路电信号，所述电信号为脉冲电流信号；APD光电检测器工作模式为线性模式，其光电增益与光电转换器所加反偏电压有关；
步骤二、电流信号放大并转换为脉冲电压信号；
步骤三、用位置检测电路检测步骤二中所述脉冲电压信号，并给出相应像元所在APD光电检测器像元阵列中的位置信号逻辑电平；
步骤四、将上述逻辑电平通过串行方式读出；
步骤五、将步骤二获取的脉冲电压信号通过开关选择器送入模拟电压缓冲中输出到接收器外。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种激光雷达阵列接收器前端读出集成电路(100)，其特征在于，包括：模拟前端电路(120)、位置检测器(130)、1024路开关选择器(140)、4路模拟输出缓冲器(150)、分频器(160)、像元位置信号读出电路(170)、时钟信号端(CLK)、移位使能信号端(EN_SHIFT)；其中，
所述模拟前端电路(120)的输入端输入电信号(iin )，所述模拟前端电路(120)的输出端分别与所述位置检测器(130)的第一输入端和所述1024路开关选择器(140)的第一输入端电连接；
所述位置检测器(130)的第二输入端与所述分频器(160)的输出端电连接，且其第一输出端与所述1024路开关选择器(140)的第二输入端和所述像元位置信号读出电路(170)的第一输入端电连接并输出并行行信号(DROW<1:32>)，其第二输出端分别与所述1024路开关选择器(140)的第三输入端和所述像元位置信号读出电路(170)的第二输入端电连接并输出并行列信号(DCOL<1:32>)；
所述分频器(160)的输入端与所述时钟信号端(CLK)电连接；
所述1024路开关选择器(140)的四个输出端分别对应与所述4路模拟输出缓冲器(150)的四个输入端电连接；
所述像元位置信号读出电路(170)的第三输入端与所述时钟信号端(CLK)电连接，其第四输入端与所述移位使能信号端(EN_SHIFT)电连接，且其两个输出端分别输出串行行信号(DROW，series)和串行列信号(DCOL，series)；
所述4路模拟输出缓冲器(150)的四个输出端分别输出四路电压信号(VOUT,1，VOUT,2,，VOUT,3，VOUT,4)。
2.根据权利要求1所述的前端读出集成电路(100)，其特征在于，所述模拟前端电路(120)包括多个跨阻放大器(121i,j)，每个跨阻放大器(121i,j)的输入端输入所述电信号(iin,ij)，所述跨阻放大器(121i,j)的输出端输出脉冲信号(VTIA,OUT<i,j>)。
3.根据权利要求1所述的前端读出集成电路(100)，其特征在于，所述位置检测器(130)包括：阈值电压产生电路(131)、时钟边沿检测电路(132)、多个位置信号产生电路(133)；其中，
所述时钟边沿检测电路(132)的输入端与所述分频器(160)的输出端电连接以输入复位信号(RESET)；
每个所述位置信号产生电路(133)的第一输入端与所述阈值电压产生电路(131)的输出端电连接，其第二输入端和所述时钟边沿检测电路(132)的输出端电连接，其第三输入端与所述模拟前端电路(120)的输出端电连接以输入脉冲信号(VTIA,OUT<i,j>)；且其两个输出端分别输出所述并行行信号(DROW<i>)和所述并行列信号(DCOL<j>)。
4.根据权利要求3所述的前端读出集成电路(100)，其特征在于，所述位置信号产生电路(133)包括：像元通道检测比较器(1331i,j)，RS触发器(1332i,j)，第一反相器(1333i,j)，第二反相器(1334i,j)；其中，
所述像元通道检测比较器(1331i,j)的反相输入端与所述阈值电压产生电路(131)的输出端电连接，其正相输出端与所述模拟前端电路(120)的输出端电连接，且其输出端与所述RS触发器(1332i,j)的置位端(S)电连接；
所述RS触发器(1332i,j)的复位端(R)与所述时钟边沿检测电路(132)的输出端电连接，且其输出端分别与所述第一反相器(1333i,j)的输入端和第二反相器(1334i,j)的输入端电连接；
所述第一反相器(1333i,j)的输出端输出所述并行行信号(DROW<i>)，所述第二反相器(1334i,j)的输出端输出所述并行列信号(DCOL<j>)。
5.根据权利要求1所述的前端读出集成电路(100)，其特征在于，所述4路模拟输出缓冲器(150)包括：奇行奇列缓冲器(151)、奇行偶列缓冲器(152)、偶行奇列缓冲器(153)、偶行偶列缓冲器(154)；其中，
所述奇行奇列缓冲器(151)的输入端、所述奇行偶列缓冲器(152)的输入端、所述偶行奇列缓冲器(153)的输入端、所述偶行偶列缓冲器(154)的输入端分别与所述1024路开关选择器(140)的输出端电连接，所述奇行奇列缓冲器(151)的输出端、所述奇行偶列缓冲器(152)的输出端、所述偶行奇列缓冲器(153)的输出端、所述偶行偶列缓冲器(154)的输出端分别输出所述四路电压信号(VOUT,1，VOUT,2,，VOUT,3，VOUT,4)。
6.根据权利要求1所述的前端读出集成电路(100)，其特征在于，所述像元位置信号读出电路(170)包括：32位计数器(171)、32位行寄存器(172)、32选1数据行选择器(173)、32位列寄存器(174)、32选1数据列选择器(175)；其中，
所述32位计数器(171)的两个输入端分别与所述时钟信号端(CLK)和所述移位使能信号端(EN_SHIFT)电连接，其5个输出端分别与所述32选1数据行选择器(173)的5个控制端(A0,A1,A2,A3,A4)和32选1数据列选择器(175)的5个控制端(A5,A6,A7,A8,A9)电连接；
所述32位行寄存器(172)的输入端输入所述并行行信号(DROW<1:32>)，其32个输出端与所述32选1数据行选择器(173)的32个输入端分别电连接；
所述32选1数据行选择器(173)的输出端输出所述串行行信号(DROW，series)；
所述32位列寄存器(174)的输入端输入所述位置检测器(130)输出的所述并行列信号(DCOL<j>)，其32个输出端与所述32选1数据列选择器(175) 的32个输入端电连接，且其输出端输出所述串行列信号(DCOL，series)。
7.一种激光雷达阵列接收器(10)，其特征在于，包括：APD光电检测器像元阵列(200)、权利要求1～6任一项所述的激光雷达阵列接收器前端读出集成电路(100)；其中，所述APD光电检测器像元阵列(200)的输入端接收回波光信号，其输出端与所述前端读出集成电路(100)的输入端电连接，所述激光雷达阵列接收器前端读出集成电路(100)的输出端输出四路电压信号(VOUT,1，VOUT,2,，VOUT,3，VOUT,4)。
8.根据权利要求7所述的阵列接收器，其特征在于，所述APD光电检测器像元阵列(200)的输出端与所述前端读出集成电路(100)的输入端电连接的方式包括：金丝焊接、铟柱连接、多芯片封装连接或三维集成连接。
9.根据权利要求7所述的阵列接收器，其特征在于，所述回波光信号光斑每次至多照射在所述APD光电检测器像元阵列(200)中四个相邻光电检测器像元(201i,j，201i,j+1，201i+1,j，201i+1,j+1)的光敏面上，所述APD光电检测器像元阵列(200)中每个所述光电检测器像元尺寸均相同，光斑直径与任意一个所述光电检测器像元尺寸相同。
10.一种激光雷达系统，其特征在于，包括：监视器(20)、后端信号处理模块(30)、发射模块(40)、接收模块(70)，其中，所述接收模块(70)包括：光学元件(300)、权利要求7～9任一项所述激光雷达阵列接收器(10)；
所述发射模块(40)的输出端发射光信号，所述激光雷达阵列接收器(10)的输入端接收经所述光学元件(300)汇聚的回波光信号，所述激光雷达阵列接收器(10)的输出端与所述后端信号处理模块(30)的输入端电连接，所述后端信号处理模块(30)的第一输出端与所述发射模块(40)的输入端电连接，所述后端信号处理模块(30)的第二输出端与所述监视器(20)的输入端电连接。
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