CN109581333A - 基于脉冲回波超高速采样重构的激光雷达读出电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光雷达领域，为能够在避免行走误差和降低功耗的情况下实现脉冲回波的超高速采样来获得重构图像。本发明，基于脉冲回波超高速采样重构的激光雷达读出电路，由跨阻放大器TIA，比较器COMP，高速采样电路HSH，延时电路Delay，时间‑数字转化器TDC和模数转换器LADC组成，其中TDC与激光发射器相连接，跨阻放大器TIA与线性雪崩光电二极管APD相连接，LADC进行输出，跨阻放大器TIA同时和比较器COMP、高速采样电路相连接，比较器COMP后接一个延时电路Delay，延时电路Delay连接着TDC和高速采样模块，TDC与高速采样模块均和LADC相连。本发明主要应用于激光雷达的设计制造。
Description
技术领域
本发明适用于激光雷达领域，涉及对激光雷达回波脉冲信号的高速采样并且重构技术。
背景技术
激光雷达技术对自动驾驶而言是至关重要的，他可以通过对距离信息的精准探测，从而进行3D成像和地图测绘，进而实现目标识别，导航和避障的功能。介于上述功能，激光雷达同样也广泛应用于无人机，机器人，地形测绘，农业生产等领域。车载激光雷达实现精确测距的原理是飞行时间法(TOF)。TOF的过程是，激光器发射一束激光的同时开始计时，当激光遇到障碍物时会在障碍物表面发生反射，反射光线经过接收光学后照射到探测器上，探测器探测到光线时停止计时，往返所用的时间为t，则探测器到障碍物的距离d＝t*C/2.因为光线在任何情况下都是相对稳定的，所以我们认为这样得到的距离信息是精准的。
但是现有的技术存在较大误差，对于调频(chirp)线性度要求很高，调频线性度直接影响测距精度；目前集成的调频方式还不是很成熟(例如Strobe的基于WGM模式的调频激光)，其他的调频方式(例如光纤、MEMS)存在成本、体积等问题需要解决。走运算放大器(OPA)方向的公司倾向于选择连续调频波(FMCW)测距，原因有二：调频连续波的扫频可以作为其中一维的扫描方式，弥补硅OPA只能做一维扫描，二维扫描技术难度过大等缺陷；FMCW结合其他频域或者与本地信号相干的信号处理方法，相比时域的脉冲法直接测距，有可能在较低功率激光发射端的情况下获得较远的测量距离，而硅OPA方案的最大功率和效率都恰恰是个大问题。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在通过所设计的激光雷达专用芯片能够在避免行走误差和降低功耗的情况下来实现脉冲回波的超高速采样并用上位机进行算法处理来获得重构图像。为此，本发明采取的技术方案是，基于脉冲回波超高速采样重构的激光雷达读出电路，由跨阻放大器TIA，比较器COMP，高速采样电路HSH，延时电路Delay，时间-数字转化器TDC和模数转换器LADC组成，其中TDC与激光发射器相连接，跨阻放大器TIA与线性雪崩光电二极管APD相连接，LADC进行输出，跨阻放大器TIA同时和比较器COMP、高速采样电路相连接，比较器COMP后接一个延时电路Delay，延时电路Delay连接着TDC和高速采样模块，TDC与高速采样模块均和LADC相连。
跨阻放大器TIA用于将线性APD输出的脉冲光电流信号转化为脉冲电压信号，具体结构如下：APD探测器小信号阻抗Rin连接电压放大器同相输入端寄生电容Cin，输出端与同相输入端之间接有反馈电阻Rf，电压放大器等效电容Cf与反馈电阻并联，电压放大器的传输函数为Av，在直流情况下，当Av足够大时，增益约为Rf，当输入信号频率很高时，增益为(1+cs/cf)。
比较器用于将跨阻放大器TIA的输出电压信号与设定的阈值电压进行比较，具体结构包括串接的前置放大器和缓冲器。
高速采样电路用于将跨阻放大器TIA输出的电压信号进行高速采样，由若干个单元构成，每个单元由一个延迟单元，一个控制开关和一个采样单元构成，延时单元包含两个反相器，延时单元的输出与控制开关相连接，控制开关与采样单元相连接，延时单元的输入信号为TIMEDELAY-CON和WIN-CON，采样单元包含两个开关，一个采样电容和一个缓冲器，延时单元的输出信号和VIN将会作为其输入信号。
时间数字转换器TDC电路由两部分实现：一个粗TDC和一个细TDC，采用线性反馈移位寄存器LFSR来实现粗TDC，能够在保证电路性能的前提下实现紧凑的电路面积；细TDC采用延时线型TDC来实现。
整个激光雷达专用芯片的工作时序如下：
每一次脉冲信号发射之前都要通过RESET对电路进行复位，当激光器发射脉冲激光时，开始START信号输入给TDC，使其开始计时，设开始时间为T0；
激光脉冲经过发射光学系统整形后照射到目标物体上，在目标物体表面发生反射，反射后的光束经过接收光学系统后由线性APD接收，将脉冲光信号转化为脉冲电流信号，电流脉冲信号流入跨阻放大器中；
脉冲电流信号经过跨阻放大器TIA后将会输出为脉冲电压信号，输出的脉冲电压信号分别流入比较器和高速采样电路中；
脉冲电压信号进入比较器后将会和设定的参考电平Vref进行比较，如果大于参考电平，比较器将会输出一个触发信号，产生触发信号的时间长度为Ts，产生的触发信号将会传递到延时电路，延时电路通过控制电压根据高速采样电路的时间进行延时时间调整，保证高速采样电路完整地进行采样，不发生数据丢失；
脉冲电压信号进入高速采样电路后开始被采样，通过外供TIMEDELAY_CON信号、WIN_CON信号和ENWRITE信号来控制采样和输出，触发信号通过延时电路后将会传递到TDC使其停止计时，TDC将光子飞行时间内经过的时钟周期个数进行计数来测量光子的飞行时间，同时采样电路接收到触发信号后停止采样，然后读出时钟控制LADC将高速采样电路采样到的信号进行低速输出进行算法处理获得重构图像，在下一束激光脉冲接收之前都能够用来传输信号。
本发明的特点及有益效果是：
本发明将会提高激光脉冲回波的采样速度，有效避免行走误差的产生，并且只要求低速ADC进行数字化即可，减小了ADC产生的功耗。
附图说明：
图1是基于脉冲回波超高速采样重构的激光雷达读出电路结构图。
图2是跨阻放大器的结构图。
图3为比较器的电路结构图。
图4是两级高速采样电路级联关系图。
具体实施方式
本发明实例利用的是飞行时间法(TOF)，旨在通过所设计的激光雷达读出电路来实现对脉冲回波的高速采样并且用低速模拟-数字转换器(LADC)进行低速输出后经过算法处理来得到重构图像，能够有效避免行走误差的产生和降低芯片的功耗。
本发明旨在通过所设计的激光雷达专用芯片能够在避免行走误差和降低功耗的情况下来实现脉冲回波的超高速采样并用上位机进行算法处理来获得重构图像。为此，本发明采取的技术方案是，基于脉冲回波超高速采样重构的激光雷达读出电路，由跨阻放大器TIA，比较器COMP，高速采样电路HSH，延时电路Delay，时间-数字转化器TDC和模数转换器LADC组成，其中TDC与激光发射器相连接，跨阻放大器TIA与线性雪崩光电二极管APD相连接，LADC进行输出，跨阻放大器TIA同时和比较器COMP、高速采样电路相连接，比较器COMP后接一个延时电路Delay，延时电路Delay连接着TDC和高速采样模块，TDC与高速采样模块均和LADC相连。
跨阻放大器TIA用于将线性APD输出的脉冲光电流信号转化为脉冲电压信号，具体结构如下：APD探测器小信号阻抗Rin连接电压放大器同相输入端寄生电容(Cin)，输出端与同相输入端之间接有反馈电阻Rf，电压放大器等效电容Cf与反馈电阻并联，电压放大器的传输函数为Av，在直流情况下，当Av足够大时，增益约为Rf，当输入信号频率很高时，增益为(1+cs/cf)。
比较器用于将跨阻放大器TIA的输出电压信号与设定的阈值电压进行比较，具体结构包括前置放大器和缓冲器。前置放大器是开环电路，可以提高增益。
高速采样电路用于将跨阻放大器TIA输出的电压信号进行高速采样，由若干个单元构成，每个单元由一个延迟单元，一个控制开关和一个采样单元构成，需要注意的是，这个延时单元为采样模块的内部结构，与延时模块有所区别。延时单元包含两个反相器，延时单元的输出与控制开关相连接，控制开关与采样单元相连接。延时单元的输入信号为TIMEDELAY-CON和WIN-CON。采样单元包含两个开关，一个采样电容和一个缓冲器，延时单元的输出信号和VIN将会作为其输入信号。
时间数字转换器TDC电路由两部分实现：一个粗TDC和一个细TDC，采用线性反馈移位寄存器LFSR来实现粗TDC，能够在保证电路性能的前提下实现紧凑的电路面积。细TDC采用延时线型TDC来实现。
整个激光雷达专用芯片的工作时序如下：
每一次脉冲信号发射之前都要通过RESET对电路进行复位，当激光器发射脉冲激光时，START信号输入给TDC，使其开始计时，设开始时间为T0；
激光脉冲经过发射光学系统整形后照射到目标物体上，在目标物体表面发生反射，反射后的光束经过接收光学系统后由线性APD接收，将脉冲光信号转化为脉冲电流信号，电流脉冲信号流入跨阻放大器中；
脉冲电流信号经过跨阻放大器TIA后将会输出为脉冲电压信号，输出的脉冲电压信号分别流入比较器和高速采样电路中；
脉冲电压信号进入比较器后将会和设定的参考电平Vref进行比较，如果大于参考电平，比较器将会输出一个触发信号，产生触发信号的时间长度为Ts，产生的触发信号将会传递到延时电路，延时电路通过控制电压根据高速采样电路的时间进行延时时间调整，保证高速采样电路完整地进行采样，不发生数据丢失；
脉冲电压信号进入高速采样电路后开始被采样，通过外供TIMEDELAY_CON信号、WIN_CON信号和ENWRITE信号来控制采样和输出。触发信号通过延时电路后将会传递到TDC使其停止计时，TDC将光子飞行时间内经过的时钟周期个数进行计数来测量光子的飞行时间，同时采样电路接收到触发信号后停止采样，然后读出时钟控制LADC将高速采样电路采样到的信号进行低速输出进行算法处理获得重构图像，在下一束激光脉冲接收之前都能够用来传输信号。
下面结合附图和具体实例进一步详细说明本发明。
为了便于理解和说明，图1展示出了具体的脉冲回波高速采样重构技术的激光雷达专用芯片的电路结构图，由跨阻放大器(TIA)11，比较器(COMP)12，高速采样电路(HSH)13，延时电路(Delay)14，时间-数字转化器(TDC)15组成和低速LADC16组成。其中TDC15与激光发射器相连接，跨阻放大器11与线性雪崩光电二极管(APD)相连接，LADC16与外部的上位机相连接。芯片内部的电路中跨阻放大器11同时和比较器12、高速采样电路13相连接，比较器12后接一个延时电路14，延时电路14连接着TDC15和高速采样模块13，TDC15与高速采样模块13均和LADC16相连。
跨阻放大器11用于将线性APD输出的脉冲光电流信号转化为脉冲电压信号，具体电路如图2所示，各个符号分别表示为：APD探测器小信号阻抗(Rin)，电压放大器输入端寄生电容(Cin)，反馈电阻(Rf)，与反馈电阻并联的等效电容(Cf)，电压放大器的传输函数(Av)。在直流情况下，当Av足够大时，增益约为Rf，当输入信号频率很高时，增益约为(1+cs/cf)。
比较器12用于将跨阻放大器11的输出电压信号与设定的阈值电压进行比较，具体结构如图3所示，比较器12采用无补偿的电压放大器实现，包括前置放大器31和缓冲器32。前置放大器31用的是开环电路，缓冲器32则是为了提高电路的驱动能力，能够有效驱动后续电路。
高速采样模块13由若干个单元串联而成，每个单元的具体电路如图4所示，由一个延时单元41，一个控制开关和一个采样单元42构成，需要注意的是，这个延时单元为采样模块的内部结构，与延时模块14有所区别。延时单元的输出端接控制开关，控制开关紧接着连接采样单元42，每个延时单元41由两个反相器412串联而成，每个反相器412的延时由可调的WIN_CON信号通过一个电流源控制，脉宽为N，为采样窗口宽度，可调的外供TIMEDELAY_CON信号是一个方波信号，脉宽为W，控制整个高速采样模块的延时，根据W/N可以调节同时采样的窗口数目(采样窗口宽度)，保证回波波形在采样深度内，从而避免采样数据丢失。ENWRITE信号控制开关K0的关断或者导通，K0的输入信号为延时电路的输出信号，当ENWRITE信号为高电平时，开关K0导通，信号通过开关进入采样单元控制采样。采样单元由两个开关switch0和switch1，一个缓冲器buffer以及一个电容421组成，其中switch0和buffer之间接电容421，buffer后接开关switch1，switch0和switch1开关用于对信号采样的控制，缓冲器42用于提升电路的驱动能力，电容421用于对输入VIN信号进行采样。
延时电路14的延迟时间可以由一个电压信号控制，能够根据高速采样电路的时间进行调整，保证高速采样电路能够完整的采样波形信号而不发生数据丢失，延时电路14的输出信号作为TDC15的输入信号，同时也作为高速采样电路13的输入信号。
TDC15采用粗细结合的两段式计数架构，利用内插技术将达到时间与时钟上升沿的微小时间差Δ表示出来，实现主时钟频率和时间分辨率之间折中。此TDC电路由两部分实现：一个15-bit的粗TDC和一个14-bit的细TDC，考虑到电路面积不能太大，本发明实例采用线性反馈移位寄存器(LFSR)来实现粗TDC，采用延时线型TDC来实现细TDC。
ADC16用于将高速采样模块13采样到的信号进行低速数字化输出。
整个激光雷达读出电路的工作时序如下：
每一次脉冲信号发射之前都要通过RESET对电路进行复位，当激光器发射脉冲激光时，START信号输入给TDC15，使其开始计时，设开始时间为T0。
激光脉冲经过发射光学系统整形后照射到目标物体上，在目标物体表面发生反射，反射后的光束经过接收光学系统后由线性APD接收，将脉冲光信号转化为脉冲电流信号，电流脉冲信号流入跨阻放大器11中。
脉冲电流信号经过跨阻放大器11后将会输出为脉冲电压信号，输出的脉冲电压信号分别流入比较器12和高速采样电路13中。
脉冲电压信号进入比较器12后将会和设定的参考电平Vref进行比较，如果大于参考电平，比较器12将会输出一个触发信号，产生触发信号的时间长度为Ts，产生的触发信号将会传递到延时电路14，延时电路可以通过控制电压根据高速采样电路13的时间进行延时时间调整，保证高速采样电路13完整地进行采样，不发生数据丢失。
高速采样模块13接收到脉冲电压信号时开始采样，ENWRITE信号为高时，表示采样电路开启，延时模块的输出信号通过控制开关进入到采样单元来对采样进行控制，如果WRITE信号为低电平，采样电路关断，这样就可以通过WRITE信号状态的控制，让采样电路在信号读出阶段停止工作，从而实现功耗降低。当采样单元的输入为高电平时，switch0开关开启，switch1开关关闭，采样单元对VIN端输入的脉冲电压进行采样，电容321进行充电；当WIN_CON的高电平信号从延时单元41完全通过后，控制开关K0关断，电容421中将保留WIN_CON变为低电平那一刻VIN的电平，此时采样电路处停止工作，switch0开关断开，switch1开关开启，可以将电容421采集到的信号进行输出,在下一束激光脉冲发射之前都可以用来传输信号。
触发信号通过延时电路14后将会传递到TDC15使其停止计时，TDC15将光子飞行时间内经过的时钟周期个数进行计数来测量光子的飞行时间，同时采样电路13接收到触发信号后停止采样，然后读出时钟控制ADC16将高速采样电路13采样到的信号进行低速输出至上位机进行算法处理获得重构图像，在下一束激光脉冲发射之前都可以用来传输信号，因此对于ADC的速度要求不高，可有ADC将信号低速读出，降低了芯片的功耗。
从回波信号等于阈值电压到比较器产生触发信号所用时间为Ts,回波峰值所对应的时间为TM，TDC停止计时同时也是采样电路停止采样的时刻为T1，从TM到T1的时间差可以通过波形中心所在采样点位置和TDC的时钟周期数来计算出来。由于回波时刻是通过计算回波波峰所在的时刻得到，且通过延迟控制保证回波信号在采样深度内，因此，相较于单纯采用TDC和比较器的电路而言，本发明实例中对于比较器响应速度的要求就大大降低，而且没有行走误差。
以上为本发明实例的具体实施方式，此基于脉冲回波超高速采样重构技术的激光雷达专用芯片能将脉冲光信号进行高速采样和由低速LADC进行数字化输出来实现图像重构，采样电路将不会有行走误差产生，芯片也能降低功耗。
Claims (6)
1.一种基于脉冲回波超高速采样重构的激光雷达读出电路，其特征是，由跨阻放大器TIA，比较器COMP，高速采样电路HSH，延时电路Delay，时间-数字转化器TDC和模数转换器LADC组成，其中TDC与激光发射器相连接，跨阻放大器TIA与线性雪崩光电二极管APD相连接，LADC进行输出，跨阻放大器TIA同时和比较器COMP、高速采样电路相连接，比较器COMP后接一个延时电路Delay，延时电路Delay连接着TDC和高速采样模块，TDC与高速采样模块均和LADC相连。
2.如权利要求1所述的基于脉冲回波超高速采样重构的激光雷达读出电路，其特征是，跨阻放大器TIA用于将线性APD输出的脉冲光电流信号转化为脉冲电压信号，具体结构如下：APD探测器小信号阻抗Rin连接电压放大器同相输入端寄生电容Cin，输出端与同相输入端之间接有反馈电阻Rf，电压放大器等效电容Cf与反馈电阻并联，电压放大器的传输函数为Av，在直流情况下，当Av足够大时，增益约为Rf，当输入信号频率很高时，增益为(1+cs/cf)。
3.如权利要求1所述的基于脉冲回波超高速采样重构的激光雷达读出电路，其特征是，比较器用于将跨阻放大器TIA的输出电压信号与设定的阈值电压进行比较，具体结构包括串接的前置放大器和缓冲器。
4.如权利要求1所述的基于脉冲回波超高速采样重构的激光雷达读出电路，其特征是，高速采样模块用于将跨阻放大器TIA输出的电压信号进行高速采样，由若干个单元构成，每个单元由一个延迟单元，一个控制开关和一个采样单元构成，延时单元包含两个反相器，延时单元的输出与控制开关相连接，控制开关与采样单元相连接，延时单元的输入信号为TIMEDELAY-CON和WIN-CON，采样单元包含两个开关，一个采样电容和一个缓冲器，延时单元的输出信号和VIN将会作为其输入信号。
5.如权利要求1所述的基于脉冲回波超高速采样重构的激光雷达读出电路，其特征是，时间数字转换器TDC电路由两部分实现：一个粗TDC和一个细TDC，采用线性反馈移位寄存器LFSR来实现粗TDC，能够在保证电路性能的前提下实现紧凑的电路面积；细TDC采用延时线型TDC来实现。
6.如权利要求1所述的基于脉冲回波超高速采样重构的激光雷达读出电路，其特征是，整个激光雷达专用芯片的工作时序如下：
每一次脉冲信号发射之前都要通过RESET对电路进行复位，当激光器发射脉冲激光时，开始START信号输入给TDC，使其开始计时，设开始时间为T0；
激光脉冲经过发射光学系统整形后照射到目标物体上，在目标物体表面发生反射，反射后的光束经过接收光学系统后由线性APD接收，将脉冲光信号转化为脉冲电流信号，电流脉冲信号流入跨阻放大器中；
脉冲电流信号经过跨阻放大器TIA后将会输出为脉冲电压信号，输出的脉冲电压信号分别流入比较器和高速采样电路中；
脉冲电压信号进入比较器后将会和设定的参考电平Vref进行比较，如果大于参考电平，比较器将会输出一个触发信号，产生触发信号的时间长度为Ts，产生的触发信号将会传递到延时电路，延时电路通过控制电压根据高速采样电路的时间进行延时时间调整，保证高速采样电路完整地进行采样，不发生数据丢失；
脉冲电压信号进入高速采样电路后开始被采样，通过外供TIMEDELAY_CON信号、WIN_CON信号和ENWRITE信号来控制采样和输出，触发信号通过延时电路后将会传递到TDC使其停止计时，TDC将光子飞行时间内经过的时钟周期个数进行计数来测量光子的飞行时间，同时采样电路接收到触发信号后停止采样，然后读出时钟控制LADC将高速采样电路采样到的信号进行低速输出进行算法处理获得重构图像，在下一束激光脉冲接收之前都能够用来传输信号。
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