CN110058248A - 激光雷达装置 - Google Patents

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俞坤治
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Abstract

本发明属于激光雷达领域。本发明提供一种激光雷达装置，其包含：发射机模块、接收机单片模块以及连接至该发射机模块与该接收机单片模块的协调电路模块，其中上述的发射机模块、接收机单片模块及协调电路模块的元器件均为固态电子组件或微机电组件。

Description

激光雷达装置
技术领域
本发明关于激光雷达，特别是关于固态电子技术实施的激光雷达。
背景技术
现有的激光雷达设计多半是采用机械式旋转，以便取得360度的环绕讯息。这类设计非常地臃肿、厚重与昂贵，使得激光雷达的应用受到许多限制。举例来说，目前市场上的64路(line)激光雷达售价高达三万美元，由于这类激光雷达具有机械可动部分(movingparts)，使得它的可靠度一直无法提升。当在移动的载具或车辆上装设激光雷达时，发射激光与接收激光的光学部件会因为载具的震动而导致无法相应地对齐，进而使得整个激光雷达系统无法正常地工作。
现行的激光雷达系统设计需要整合许多电子元器件与集成电路，每一路接收机的电子组件的市场价值超过50美元。因此，整个激光雷达系统的电子元器件部分的成本就高达数千美元之巨。举例来说，每一路接收机可能包含了雪崩光电二极管(APD,AvalanchePhoto Diode)、电流电压转换器(TIA,trans-impedance amplifier)、模数转换器(ADC,analog-digital converter)等多个电子元器件。此外，激光雷达系统的设计人员还必须为了将这么多电子元器件塞进狭小的空间而伤透脑筋。在此同时，还要能够保证整个激光雷达系统的可靠度，并且解决散热的问题。
总上所述，市场上亟需一种可设定的固态电子技术实施的激光雷达系统，可以缩小体积、减少耗电量、提供高集成度、可靠度与性价比，以便在未来的机器人三维视觉空间感知与客户端人工智能计算的方面提供高效能的激光侦测与测距系统。
发明内容
根据本发明所提供的激光雷达装置，由于使用固态电子组件与/或微机电组件来实施，可以缩小体积、减少耗电量、提供高集成度、可靠度与性价比。
本发明所提供的激光雷达装置可以用于未来的机器人三维视觉空间感知方面，也可以用于许多人工智能计算方面，例如自动导航载具与自动驾驶车辆等。本发明的激光雷达装置可以用于许多边缘计算系统，以便提供低成本、低耗能与紧致体积的解决方案。
本发明提供一种激光雷达装置，其包含：发射机模块、接收机单片模块以及连接至该发射机模块与该接收机单片模块的协调电路模块，其中上述的发射机模块、接收机单片模块及协调电路模块的元器件均为固态电子组件或微机电组件。该发射机模块包含激光二极管与连接至该激光二极管的激光驱动器，其中当该激光驱动器接收到发射激光信号时，该激光驱动器令该激光二极管发出激光至目标。该接收机单片模块更包含：超灵敏光电检测器像素阵列与像素控制电路，包含由多个像素所组成的像素阵列，每个像素包含一个或多个超灵敏光电检测器以接收自目标反射的激光回波，以及像素控制电路以产生相应的触发信号；像素级时间数字转换器阵列，包含多个时间数字转换器，每个时间数字转换器接收该发射激光信号作为起始信号，接收相应的该像素控制电路的触发信号作为终止信号，以及接收高速时钟信号作为基础，并且产生该终止信号与该起始信号的时间差值；数字信号处理器与存储模块，包含存储单元以接收与存储上述的时间差值，以及数字信号处理器以将该时间差值转换成包含距离讯息的三维点云数据；以及输出接口模块，用于将该三维点云数据输出至外界。该协调电路模块更包含时序控制模块以发出该发射激光信号。在上述的实施例当中，其特征在于，该激光雷达装置更包含发射光路模块，包含：光束控制组件，用于对该激光二极管所发出的激光进行光束控制；以及连接至该光束控制组件的光束控制电路，用于调整该光束控制组件的视野或指向。
在上述的实施例当中，该协调电路模块更包含协调控制处理器模块以执行软件模块，该软件模块用于控制该光束控制电路进行光束控制与控制该时序控制模块发出该发射激光信号的时机，以便该发射光路模块扫描一个面向。
在上述的实施例当中，该光束控制组件包含下列其中之一：微机电组件、光学相位阵列组件(optical phased array)或衍射式光学组件(diffractive optical element)。
在上述的实施例当中，该激光雷达装置更包含光路模块，以传递该激光二极管所发出的激光至该目标，以及传递由该目标反射的激光回波至该超灵敏光电检测器像素阵列与像素控制电路。
在上述的实施例当中，该协调电路模块更包含协调控制处理器模块以执行软件模块，该软件模块用于控制该激光驱动器所使用的调变模式，以及该数字信号处理器与存储模块所使用的解调变模式。
在上述的实施例当中，该激光驱动器的调变模式包含下列其中之一：可调脉冲宽度的脉冲模式，或是以三角波、弦波或方波发射的连续波(CW,continuous wave)模式。
在上述的实施例当中，该像素控制电路侦测到背景强光时，降低相应的该超灵敏光电检测器的增益系数以避免背景强光的干扰，其中该像素控制电路更包含阳光背景光屏蔽电路，用于滤除由于背景强光所触发该超灵敏光电检测器所导致的量测误差和系统信噪比的衰减。
在上述的实施例当中，该发射机模块、接收机单片模块与协调电路模块均安装在同一电路板上。
在上述的实施例当中，该激光二极管包含下列其中之一：垂直腔面发射激光器(VCSEL,vertical cavity surface emitting laser)、面射型激光(SEL)二极管、边射型激光(EEL,edge emitting laser)二极管。
附图说明
图1所示，其为根据本发明实施例的激光雷达装置100的方块示意图。
具体实施方式
本发明将详细描述一些实施例如下。然而，除了所揭露的实施例外，本发明的范围并不受该些实施例的限定，乃以其后的申请专利范围为准。而为了提供更清楚的描述及使该项技艺的普通人员能理解本发明的发明内容，图示内各部分并没有依照其相对的尺寸进行绘图，某些尺寸或其他相关尺度的比例可能被凸显出来而显得夸张，且不相关的细节部分并没有完全绘出，以求图示的简洁。
请参考图1所示，其为根据本发明实施例的激光雷达装置100的方块示意图。在本发明的一种实施例当中，图1所示的各模块内的元器件均使用固态电子器件与/或微机电(Micro-electro-mechanical)器件，而没有传统的电机设备。据此，可以缩小体积、减少耗电量、提供高集成度、可靠度与性价比。
在本发明的一种实施例当中，图1所示的各模块内的固态电子与/或微机电器件均可以安装在一块电路板之上。据此，可以缩小体积、减少耗电量、提供高集成度、可靠度与性价比。
该激光雷达装置100可以包含以下的硬件模块：协调电路模块110、发射机模块120、发射光路模块130、接收光路模块140与接收机单片模块150。该协调电路模块110用于控制该发射机模块120、接收光路模块140与接收机单片模块150。简单地说，该激光雷达装置100利用该发射机模块120发出激光，经由发射光路模块130发射到目标之后，自目标所反射的激光光波经由接收光路模块140进入该接收机单片模块150当中。由于已知发射机模块120发出激光的时机与/或时钟信号的相位，该接收机单片模块150可以根据所接收的反射光波的时机与/或时钟信号的相位，直接或间接得到激光的飞行时间(time of flight)。据此，可以再根据飞行时间来获得目标与该激光雷达装置100之间的距离讯息。
在图1所示的实施例当中，该协调电路模块110包含时序控制模块112与协调控制处理器模块114。时序控制模块112用于根据协调控制处理器模块114所发出的指令，输出发射激光信号到该发射机模块120与该接收机单片模块150。
该发射机模块120包含激光驱动器(laser driver)122与激光二极管(laserdiode)124。该激光驱动器122负责根据所指定的调变方式，令该激光二极管124发出激光至该发射光路模块130。
当多个激光雷达装置100在附近一起工作时，自目标反射的激光回波可能会对其它的激光雷达装置100造成干扰。因此，该协调控制处理器模块114可以用于指定该激光驱动器122使用不同的调变方式，以减少或完全避免干扰现象。该协调控制处理器模块114可以自动根据该接收机单片模块150所侦测到的干扰现象，来指定该激光驱动器122使用不同的调变方式。该协调控制处理器模块114也可以根据用户或外界接口的指令，令该激光驱动器122使用不同的调变方式。相应地，当该协调控制处理器模块114指定该激光驱动器122使用某一种调变方式时，也必须指定该接收机单片模块150使用相应的解调变方式。该协调控制处理器模块114可以执行软件模块，该软件模块用于控制该激光驱动器122所使用的调变模式，以及该接收机单片模块150的数字信号处理器与存储模块156所使用的解调变模式。
该激光二极管124可以是垂直腔面发射激光器(VCSEL,vertical cavity surfaceemitting laser)、面射型激光(SEL)二极管、边射型激光(EEL,edge emitting laser)二极管或其他种类的激光二极管。本发明并不限定激光二极管的种类。上述的激光驱动器122可以对该激光二极管124的发射进行调变，例如是可调脉冲宽度(pulse width)的脉冲模式，或是以三角波、弦波或方波发射的连续波(CW,continuous wave)模式等。本发明并不限定激光二极管124所发出的激光信号的调变与相应的解调变模式。
该发射光路模块130可以是固定的光学模块，也可以是可控的光学模块。为了配合固态电子与/或微机电的实施方式，该发射光路模块130所包含的光束控制电路132与光束控制组件134都是由固态电子组件与/或微机电组件所组成。
该光束控制电路132接受指令，令光束控制组件134对于该激光二极管124所发出的激光进行光束控制(beam control)。此处所指的光束控制可以包含视野(field-of-view)的控制，也可以包含光束指向性的控制。光束控制组件134可以包含微机电组件、光学相位阵列组件(optical phased array)或衍射式光学组件(diffractive opticalelement)。换言之，透过该发射光路模块130的光束控制，可以对一个面或面向(aspect)进行扫描。因此，该激光雷达装置100可以不使用传统的机械可动部分，进而可以大幅度地提高可靠度。如果要涵盖360度的环绕视野，只需要组合多个不同面向的激光雷达装置100即可。
该协调控制处理器模块114可以执行软件模块，该软件模块用于控制该光束控制电路132进行光束控制与控制该时序控制模块112发出该发射激光信号的时机，以便该发射光路模块130扫描一个面向。
如果不需要进行光束控制，该发射光路模块130可以与该接收光路模块140是一套固定的光路模块。该光路模块可以传递该激光二极管124所发出的激光至该目标，以及传递由该目标反射的激光回波至超灵敏光电检测器像素阵列与像素控制电路152。
该接收机单片模块150可以为单片设计，亦即实施于单一个集成电路封装体内的设计，该封装体内部可以包含一或多个芯片。该接收机单片模块150还可以是单芯片设计，亦即在单一个集成电路封装体内，只有一个芯片的设计。该接收机单片模块150是激光雷达装置100的重要元器件，使用单片设计或更进一步的单芯片设计可以缩小体积、减少耗电量、提供高集成度、可靠度与性价比。
该接收机单片模块150可以包含：超灵敏光电检测器像素阵列与像素控制电路152、连接至超灵敏光电检测器像素阵列与像素控制电路152的像素级时间数字转换器阵列154、连接至该像素级时间数字转换器阵列154的数字信号处理器与存储模块156、以及连接到数字信号处理器与存储模块156的输出接口模块158。
在某些实施例中，超灵敏光电检测器像素阵列与像素控制电路152包含多个像素所组成的阵列，每个像素包含超灵敏光电检测器与其像素控制电路。在某些实施例中，超灵敏光电检测器像素可以包含单光子检测器。像素控制电路可以将相应的超灵敏光电检测器的增益值调低，以便减少来自背景强光的干扰。在另外的实施例中，可以将多个超灵敏光电检测器组成较大的逻辑像素。每个逻辑像素可以对应至逻辑像素控制电路。这些像素或逻辑像素所组成的阵列可以用于获得目标的细节。当像素控制电路或逻辑像素控制电路侦测到有背景强光的干扰时，例如来自阳光或其他激光光源的干扰时，可以控制相应的超灵敏光电侦测器的增益值来减少干扰现象。其中该像素控制电路或逻辑像素控制电路可以包含阳光背景光屏蔽电路，用于滤除由于背景强光所触发该超灵敏光电检测器所导致的量测误差和系统信噪比的衰减。
在某些实施例中，每个超灵敏光电检测器在接收光子之后，需要淬灭(Quench)和复位(reset)操作才具备探测光子的能力。因此，每一个超灵敏光电检测器更包含高速淬灭和复位电路，以便减少超灵敏光电检测器接收光子之后的锁死时间，提升探测效率。
像素级时间数字转换器阵列154包含多个时间数字转换器，每个时间数字转换器用于连接到上述的超灵敏光电侦测器像素或逻辑像素，以及接受来自时序控制模块112的发射激光信号。根据该接收机单片模块150在芯片内部网络产生与传送的高速时钟信号，时间数字转换器可以将该像素或逻辑像素所侦测的触发信号作为终止信号，将发射激光信号作为起始信号，利用高速时钟信号计算两者的时间差值。上述的高速时钟信号可以由芯片内部的锁相环(PLL,Phase Locked Loop)所产生。而像素级时间数字转换器数组154可以更包含距离量测电路，根据上述的时间差值与光速，进一步取得目标的距离讯息。在一实施例中，每一个时间数字转换器可以对应至一个该距离量测电路。在另一实施例中，一个该距离量测电路可以对应至多个时间数字转换器。
这些时间差值或是距离讯息可以传送到该数字信号处理器与存储模块156，该模块156所包含的存储器可以用于存储该时间差值或是距离讯息。该模块156所包含的数字信号处理器可以将时间差值转换成距离讯息，透过该输出接口模块158来输出包含距离讯息的三维点云数据。该数字信号处理器还可以执行数字滤波算法，以便提高测量的距离精确度。该输出接口模块159可以使用自定义的接口，也可以使用符合工业标准的接口，例如I2C、PCI、PCI-Express、IEEE 1394、IEEE 802.11、IEEE 802.3等。本发明并不限定接口的形式与规格。
在恶劣天气环境(大雾，雨雪等)下，由于雾气颗粒，水滴以及雪花对光线的反射和 折射，探测性能会受到影响，导致激光雷达探测距离和探测精度的下降。针对不同天气下雨 水，雪花和雾气颗粒对激光光线的不同散射和折射模式，数字信号处理器可以执行不同的 优化算法有效的排除多路径，接收光强衰减等诸多问题。
本发明提供一种激光雷达装置，其包含：发射机模块、接收机单片模块以及连接至该发射机模块与该接收机单片模块的协调电路模块，其中上述的发射机模块、接收机单片模块及协调电路模块的元器件均为固态电子组件或微机电组件。该发射机模块包含激光二极管与连接至该激光二极管的激光驱动器，其中当该激光驱动器接收到发射激光信号时，该激光驱动器令该激光二极管发出激光至目标。该接收机单片模块更包含：超灵敏光电检测器像素阵列与像素控制电路，包含由多个像素所组成的像素阵列，每个像素包含一或多个超灵敏光电检测器以接收自目标反射的激光回波，以及像素控制电路以产生相应的触发信号；像素级时间数字转换器阵列，包含多个时间数字转换器，每个时间数字转换器接收该发射激光信号作为起始信号，接收相应的该像素控制电路的触发信号作为终止信号，以及接收高速时钟信号作为基础，并且产生该终止信号与该起始信号的时间差值；数字信号处理器与存储模块，包含存储单元以接收与存储上述的时间差值，以及数字信号处理器以将该时间差值转换成包含距离讯息的三维点云数据；以及输出接口模块，用于将该三维点云数据输出至外界。该协调电路模块更包含时序控制模块以发出该发射激光信号。在上述的实施例当中，该激光雷达装置更包含发射光路模块，包含：光束控制组件，用于对该激光二极管所发出的激光进行光束控制；以及连接至该光束控制组件的光束控制电路，用于调整该光束控制组件的视野或指向。
在上述的实施例当中，该协调电路模块更包含协调控制处理器模块以执行软件模块，该软件模块用于控制该光束控制电路进行光束控制与控制该时序控制模块发出该发射激光信号的时机，以便该发射光路模块扫描一个面向。
在上述的实施例当中，该光束控制组件包含下列其中之一：微机电组件、光学相位阵列组件(optical phased array)或衍射式光学组件(diffractive optical element)。
在上述的实施例当中，该激光雷达装置更包含光路模块，以传递该激光二极管所发出的激光至该目标，以及传递由该目标反射的激光回波至该超灵敏光电检测器像素阵列与像素控制电路。
在上述的实施例当中，该协调电路模块更包含协调控制处理器模块以执行软件模块，该软件模块用于控制该激光驱动器所使用的调变模式，以及该数字信号处理器与存储模块所使用的解调变模式。
在上述的实施例当中，该激光驱动器的调变模式包含下列其中之一：可调脉冲宽度的脉冲模式，或是以三角波、弦波或方波发射的连续波(CW,continuous wave)模式。
在上述的实施例当中，该像素控制电路侦测到背景强光时，降低相应的该超灵敏光电检测器的增益系数以避免背景强光的干扰，其中该像素控制电路更包含阳光背景光屏蔽电路，用于滤除由于背景强光所触发该超灵敏光电检测器所导致的量测误差和系统信噪比的衰减。
在上述的实施例当中，该发射机模块、接收机单片模块与协调电路模块均安装在同一电路板上。
在上述的实施例当中，该激光二极管包含下列其中之一：垂直腔面发射激光器(VCSEL,vertical cavity surface emitting laser)、面射型激光(SEL)二极管、边射型激光(EEL,edge emitting laser)二极管。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种激光雷达装置，其特征在于，包含：
发射机模块，包含激光二极管与连接至该激光二极管的激光驱动器，其中当该激光驱动器接收到发射激光信号时，该激光驱动器令该激光二极管发出激光至目标；
接收机单片模块，更包含：
超灵敏光电检测器像素阵列与像素控制电路，包含由多个像素所组成的像素阵列，每个像素包含一或多个超灵敏光电检测器以接收自目标反射的激光回波，以及像素控制电路以产生相应的触发信号；
像素级时间数字转换器阵列，包含多个时间数字转换器，每个时间数字转换器接收该发射激光信号作为起始信号，接收相应的该像素控制电路的触发信号作为终止信号，以及接收高速时钟信号作为基础，并且产生该终止信号与该起始信号的时间差值；
数字信号处理器与存储模块，包含存储单元以接收与存储上述的时间差值，以及数字信号处理器以将该时间差值转换成包含距离讯息的三维点云数据；以及
输出接口模块，用于将该三维点云数据输出至外界；以及
连接至该发射机模块与该接收机单片模块的协调电路模块，该协调电路模块更包含时序控制模块以发出该发射激光信号，
其中上述的发射机模块、接收机单片模块及协调电路模块的元器件均为固态电子组件或微机电组件。
2.如权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，更包含：
发射光路模块，包含：
光束控制组件，用于对该激光二极管所发出的激光进行光束控制；以及
连接至该光束控制组件的光束控制电路，用于调整该光束控制组件的视野或指向。
3.如权利要求2所述的激光雷达装置，其特征在于，该协调电路模块更包含协调控制处理器模块以执行软件模块，该软件模块用于控制该光束控制电路进行光束控制与控制该时序控制模块发出该发射激光信号的时机，以便该发射光路模块扫描一个面向。
4.如权利要求2所述的激光雷达装置，其特征在于，该光束控制组件包含下列其中之一：
微机电组件、光学相位阵列组件(optical phased array)或衍射式光学组件(diffractive optical element)。
5.如权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，更包含光路模块，以传递该激光二极管所发出的激光至该目标，以及传递由该目标反射的激光回波至该超灵敏光电检测器像素阵列与像素控制电路。
6.如权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，该协调电路模块更包含协调控制处理器模块以执行软件模块，该软件模块用于控制该激光驱动器所使用的调变模式，以及该数字信号处理器与存储模块所使用的解调变模式。
7.如权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，该激光驱动器的调变模式包含下列其中之一：可调脉冲宽度的脉冲模式，或是以三角波、弦波或方波发射的连续波(CW,continuous wave)模式。
8.如权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，该像素控制电路侦测到背景强光时，降低相应的该超灵敏光电检测器的增益系数以避免背景强光的干扰，其中该像素控制电路更包含阳光背景光屏蔽电路，用于滤除由于背景强光所触发该超灵敏光电检测器所导致的量测误差和系统信噪比的衰减。
9.如权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，该发射机模块、接收机单片模块与协调电路模块均安装在同一电路板上。
10.如权利要求1所述的激光雷达装置，其特征在于，该激光二极管包含下列其中之一：
垂直腔面发射激光器(VCSEL,vertical cavity surface emitting laser)、面射型激光(SEL)二极管、边射型激光(EEL,edge emitting laser)二极管。
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