CN110244311B - 激光雷达接收装置、激光雷达系统和激光测距方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种激光雷达接收装置、激光雷达系统、激光测距方法、激光测距控制器和可读存储介质。该激光雷达接收装置包括：检测光电传感器，用于接收激光回波信号，并在检测光电传感器的偏置电压大于击穿电压时，将激光回波信号转换为电流信号；测距电路，与检测光电传感器连接，用于根据电流信号，计算得到距离数据；电源控制电路，与检测光电传感器连接，用于根据预设规则控制向检测光电传感器施加的偏置电压；其中，预设规则包括：在杂散回波信号接收时刻，检测光电传感器的偏置电压小于击穿电压；杂散回波信号接收时刻，为发射的激光信号经过除测距光路以外的其它杂散光路到达检测光电传感器的时刻。采用本激光雷达接收装置能够减小近距盲区。

Description

激光雷达接收装置、激光雷达系统和激光测距方法
技术领域
本申请涉及激光雷达技术领域，特别是涉及一种激光雷达接收装置、激光雷达系统、激光测距方法、激光测距控制器和可读存储介质。
背景技术
激光雷达测距系统越来越多地应用于无人驾驶等应用场景。
但是在激光雷达测距系统中，由于光学设计限制，出射光可能经过镜筒内壁或者镜面杂质直接反射到接收端，形成一个虚假的回波信号。对于恢复时间比较长的光电传感器，可能在此后一段时间内都无法观测到真正的回波，因此会存在一定范围的近距盲区。
然而，传统激光雷达难以解决上述存在近距盲区的问题。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够减小近距盲区的激光雷达接收装置、激光雷达系统、激光测距方法、激光测距控制器和可读存储介质。
第一方面，一种激光雷达接收装置，包括：
检测光电传感器，用于接收激光回波信号，并在所述检测光电传感器的偏置电压大于击穿电压时，将所述激光回波信号转换为电流信号；
测距电路，与所述检测光电传感器连接，用于根据所述电流信号，计算得到距离数据；
电源控制电路，与所述检测光电传感器连接，用于根据预设规则控制向所述检测光电传感器施加的偏置电压；
其中，所述预设规则包括：在杂散回波信号接收时刻，所述检测光电传感器的偏置电压小于所述击穿电压；所述杂散回波信号接收时刻，为发射的激光信号经过除测距光路以外的其它杂散光路到达所述检测光电传感器的时刻，与预设的杂散回波信号飞行时间相关。
在其中一个实施例中，所述测距电路包括：
跨阻放大电路，与所述检测光电传感器连接，用于将所述电流信号转换为电压信号，并进行放大处理，得到放大后的电压信号；
第一处理电路，与所述跨阻放大电路连接，用于根据预设规则控制向所述检测光电传感器施加的偏置电压，以及根据所述放大后的电压信号，计算得到距离数据。
在其中一个实施例中，所述激光雷达接收装置还包括：参考光电传感器，所述参考光电传感器处于遮光状态，并与所述检测光电传感器并联；
所述测距电路包括：
对消及跨阻放大电路，分别与所述检测光电传感器和所述参考光电传感器连接，用于对所述检测光电传感器和所述参考光电传感器输出的两路电流信号进行对消及跨阻放大处理，输出对消及跨阻放大处理后得到的电压信号；所述参考光电传感器输出的电流信号与向所述参考光电传感器施加的偏置电压正相关；
第二处理电路，与所述对消及跨阻放大电路连接，用于根据预设规则控制向所述检测光电传感器施加的偏置电压，以及根据所述对消及跨阻放大处理后得到的电压信号，计算得到距离数据。
在其中一个实施例中，所述对消及跨阻放大电路包括：
第一对消电路，分别与所述检测光电传感器和所述参考光电传感器连接，用于对所述检测光电传感器和所述参考光电传感器输出的两路电流信号进行对消处理，输出对消处理后的电流信号；
第一跨阻放大电路，与所述第一对消电路连接，用于将所述对消处理后的电流信号转换为电压信号，并进行放大处理，得到放大后的电压信号。
在其中一个实施例中，所述对消及跨阻放大电路包括：
第二跨阻放大电路，分别与所述检测光电传感器和所述参考光电传感器连接，用于将所述检测光电传感器和所述参考光电传感器输出的两路电流信号分别转换为电压信号，并进行放大处理，得到两路放大后的电压信号；
第二对消电路，与所述第二跨阻放大电路连接，用于对所述两路放大后的电压信号进行对消处理，输出对消处理后的电压信号。
在其中一个实施例中，所述测距电路用于在发射时刻和初始时刻之间的第一预设时间段内，控制向所述检测光电传感器施加的偏置电压小于所述击穿电压；所述发射时刻为激光信号的发射时刻，所述初始时刻位于所述杂散回波信号接收时刻之后；所述第一预设时间段为包括所述杂散回波信号接收时刻的时间段。
在其中一个实施例中，所述测距电路还用于在初始时刻和第一时刻之间的第二预设时间段内，提升向所述检测光电传感器施加的偏置电压，且提升梯度大于预设梯度；所述第二预设时间段为偏置电压的提升时间段。
在其中一个实施例中，所述测距电路还用于在第一时刻和第二时刻之间的第三预设时间段内，根据预设的激光回波信号接收时刻与偏置电压的对应关系，确定当前时刻对应的偏置电压的值，并根据当前时刻对应的偏置电压的值，控制向所述检测光电传感器施加的偏置电压；其中，所述预设的激光回波信号接收时刻与偏置电压的对应关系是根据预设的测距飞行时间与检测光电传感器的增益的对应关系，以及预设的检测光电传感器的增益与偏置电压的对应关系确定的；所述第三预设时间段为测距时间段。
在其中一个实施例中，当发射的激光信号为脉冲信号时，所述测距电路用于根据预设规则输出控制信号，通过所述控制信号控制向所述检测光电传感器施加脉冲偏置电压。
在其中一个实施例中，所述预设的杂散回波信号飞行时间为发射的激光信号经过除测距光路以外的其它杂散光路到达所述检测光电传感器的过程中飞行时间的多次测量值的统计值。
在其中一个实施例中，所述装置还包括：
电源模块，分别与所述检测光电传感器和所述电源控制电路连接，用于接收所述电源控制电路发送的控制信号，以及向所述检测光电传感器施加与所述控制信号对应的偏置电压。
第二方面，一种激光雷达系统，包括激光雷达发射装置和上述激光雷达接收装置，所述激光雷达发射装置用于发射激光信号。
第三方面，一种激光测距方法，所述方法包括：
发射激光信号；
根据预设规则，控制检测光电传感器的偏置电压；
在所述检测光电传感器的偏置电压大于击穿电压时，获取所述检测光电传感器输出的电流信号；所述电流信号与所述发射的激光信号对应的激光回波信号相关；
根据所述电流信号，计算得到距离数据。
其中，所述预设规则包括：在杂散回波信号接收时刻，所述检测光电传感器的偏置电压小于所述击穿电压；所述杂散回波信号接收时刻，为发射的激光信号经过除测距光路以外的其它杂散光路到达所述检测光电传感器的时刻，与预设的杂散回波信号飞行时间相关。
在其中一个实施例中，所述根据所述电流信号，计算得到距离数据，包括：
将所述电流信号转换为电压信号，并进行放大处理，得到放大后的电压信号；
根据所述放大后的电压信号，计算得到距离数据。
在其中一个实施例中，所述方法还包括：
在获取所述检测光电传感器输出的电流信号的同时，获取参考光电传感器输出的电流信号；所述参考光电传感器处于遮光状态，并与所述检测光电传感器关联；所述参考光电传感器输出的电流信号与所述参考光电传感器的偏置电压正相关；
所述根据所述电流信号，计算得到距离数据，包括：
对所述检测光电传感器和所述参考光电传感器输出的两路电流信号进行对消及跨阻放大处理，输出对消及跨阻放大处理后得到的电压信号；
根据所述对消及跨阻放大处理后得到的电压信号，计算得到距离数据。
第四方面，一种激光测距控制器，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
发射激光信号；
根据预设规则，控制检测光电传感器的偏置电压；
在所述检测光电传感器的偏置电压大于击穿电压时，获取所述检测光电传感器输出的电流信号；所述电流信号与所述发射的激光信号对应的激光回波信号相关；
根据所述电流信号，计算得到距离数据。
其中，所述预设规则包括：在杂散回波信号接收时刻，所述检测光电传感器的偏置电压小于所述击穿电压；所述杂散回波信号接收时刻，为发射的激光信号经过除测距光路以外的其它杂散光路到达所述检测光电传感器的时刻，与预设的杂散回波信号飞行时间相关。
第五方面，一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
发射激光信号；
根据预设规则，控制检测光电传感器的偏置电压；
在所述检测光电传感器的偏置电压大于击穿电压时，获取所述检测光电传感器输出的电流信号；所述电流信号与所述发射的激光信号对应的激光回波信号相关；
根据所述电流信号，计算得到距离数据；
其中，所述预设规则包括：在杂散回波信号接收时刻，所述检测光电传感器的偏置电压小于所述击穿电压；所述杂散回波信号接收时刻，为发射的激光信号经过除测距光路以外的其它杂散光路到达所述检测光电传感器的时刻，与预设的杂散回波信号飞行时间相关。
上述激光雷达接收装置、激光雷达系统、激光测距方法、激光测距控制器和可读存储介质，电源控制电路可以在杂散回波信号接收时刻，控制所述检测光电传感器的偏置电压小于所述击穿电压，使得杂散回波信号无法激发检测光电传感器，因此检测光电传感器无需恢复时间；即使在近距离测距时，即使激光回波信号的飞行时间很短，但此时检测光电传感器处于正常工作状态，且偏置电压大于击穿电压，激光回波信号可以激发检测光电传感器，生成与激光回波信号对应的电流信号，因此测距电路可以根据该电流信号计算得到距离数据，缩短了近距盲区。可以理解的是，近距盲区理论上为杂散光路的光程，可以为厘米级别；而在整机系统上，考虑激光出射部分到整机外壳的光程，理论上可以在系统级实现零探测盲区。
附图说明
图1为一个实施例中激光雷达接收装置的应用环境图；
图2a为一个实施例中激光雷达接收装置的结构框图；
图2b为一个实施例中检测光电传感器的示意图；
图2c为一个实施例中检测光电传感器的增益与偏置电压的对应曲线；
图3为一个实施例中激光雷达接收装置的结构框图；
图4为一个实施例中激光雷达接收装置的结构框图；
图5a为一个实施例中对消及跨阻放大电路的示意图之一；
图5b为一个实施例中对消及跨阻放大电路的示意图之二；
图5c为一个实施例中对消及跨阻放大电路的示意图之三；
图5d为一个实施例中对消及跨阻放大电路的示意图之四；
图6为一个实施例中电源模块的示意图；
图7为一个实施例中检测光电传感器的偏置电压的波形示意图；
图8为一个实施例中激光测距方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请提供的激光雷达接收装置，可以应用于如图1所示的激光测距系统中。其中，激光雷达发射装置发射出激光，经过准直器准直，准直后的激光进入镜筒，并被偏振分光平片偏振分光，得到偏振态且从偏振分光平片透射出的激光，并由第一反射镜反射至MEMS(微机电系统)振镜；由振镜调整激光的扫描频率和扫描方向，实现对目标的扫描，并将目标反射回的激光回波信号反射至第一反射镜，并由第一反射镜将激光回波信号反射至偏振分光平片；偏振分光平片将激光回波信号反射至滤光片，由滤光片过滤掉杂波信号，得到滤波后的激光回波信号，并由第二反射镜反射至接收镜头，并由激光雷达接收装置对激光回波信号进行检测、测距，得到距离数据。
然而，除了沿上述测距光路之外，由于镜片杂质、镜筒内壁的垂直误差和平行误差等诸多原因，发射的激光可以沿着镜筒内壁反射至激光雷达接收装置，即可以沿着除测距光路以外的其它杂散光路到达光电传感器，其中，发射出去的激光沿着杂散光路到达光电传感器的信号可以称为杂散回波信号。由于杂散回波信号相对于激光回波信号的光程很短，传统的激光雷达接收装置中光电传感器会先检测到杂散回波信号，但光电传感器在检测到杂散回波信号后会存在一段恢复时间，在恢复时间内无法检测激光回波信号；在近距离测距时，由于飞行时间较短，在激光回波信号到达光电传感器时，光电传感器可能仍处于恢复时间内，即检测不到针对测距目标的激光回波信号，因此会造成一定范围的近距盲区。相应地，本实施例的激光雷达接收装置可以解决上述近距盲区的问题。
需要说明的是，本实施例的激光雷达接收装置不单可以应用于上述图1所示的测距系统中，也可以用于其它测距系统，可以采用偏振光测距，也可以采用普通激光测距；此外，本实施例的激光雷达接收装置也可以应用于车载激光雷达等其它激光雷达系统中，而不限于测距系统。
在一个实施例中，如图2a所示，提供了一种激光雷达接收装置，以应用于图1中的应用环境为例进行说明，可以包括：
检测光电传感器11，用于接收激光回波信号，并在检测光电传感器的偏置电压大于击穿电压时，将激光回波信号转换为电流信号；
测距电路12，与检测光电传感器连接，用于根据电流信号，计算得到距离数据；
电源控制电路13，与检测光电传感器连接，用于根据预设规则控制向检测光电传感器施加的偏置电压；
其中，预设规则包括：在杂散回波信号接收时刻，检测光电传感器的偏置电压小于击穿电压；杂散回波信号接收时刻，为发射的激光信号经过除测距光路以外的其它杂散光路到达检测光电传感器的时刻，与预设的杂散回波信号飞行时间相关。
参照图2b所示，以高灵敏度的SiPM(硅光电倍增管)为检测光电传感器的一个示例，SiPM由多个微单元并联组成，每个微单元由雪崩二极管(APD)和猝灭电阻组成。当在硅光电倍增管施加偏置电压(一般是反向偏置电压，几十伏)时，每个微单元的APD耗尽层有强度很高的电场，此时若外界有光子打进来，会和半导体中的电子空穴对发生康普顿散射，打出电子或空穴，高能的电子和空穴随即在电场中加速，打出大量的次级电子和空穴，即发生雪崩效应，此时每个微单元输出的电流突然变大，在淬灭电阻上的电压也变大，APD中的电场瞬间变小，即APD输出一个瞬时电流脉冲后雪崩停止，因此APD阵列可以作为光电传感器，将光信号转换为电流信号。
具体地，硅光电倍增管的基本特性如下：
A、硅光电倍增管的光电放大能力(即增益，Gain)与偏置电压(Bias Voltage)正相关；如图2c所示的不同规格的硅光电倍增管的增益与偏置电压的对应曲线，可见，如果将偏置电压与击穿电压(硅光电倍增管的特性)的差值称为过电压，则可以发现在一定范围内增益与过电压成正比，过电压越小，光电放大倍数越低，当过电压接近或者低于0V时，即偏置电压小于击穿电压时，增益接近于零，即硅光电倍增管不会发生雪崩效应。
B、当光子入射时，入射光子可以被大量雪崩二极管有效吸收并激发雪崩效应，从而使得大量雪崩二极管导通输出脉冲电流；此后需要对雪崩二极管两端的等效电容Ccell(由于硅光电倍增管的结构导致每个雪崩二极管均并联有一个等效电容)进行充电，使得雪崩二极管的等效电容充电完成，从而恢复到正常偏压状态，在等效电容充电完成前，硅光电倍增管难以有效检测入射光并输出电流；其中，等效电容Ccell和猝灭电阻Rq决定了微单元的恢复时间常数，恢复到90％偏压的时间约为2.3倍时间常数，即恢复时间可以为：
Trecovery＝2.3×Rq×Ccell
在本实施例中，激光雷达接收装置可以通过外部的电源对检测光电传感器供电，即施加偏置电压；因此电源控制电路可以通过预设规则控制外部的电源向检测光电传感器施加偏置电压。
参照图2b所示，检测光电传感器除了硅光电倍增管等光电传感器之外，还包括去耦电路和读出电路；其中，去耦电路包括去耦电容C，位于光电传感器的偏置电压施加端与地(如壳体)之间，用于去除电源噪声，稳定偏置电压；读出电路包括电阻Rs，用于将电流信号转换为易于测量的电压信号；Sout和Fout分别为直流耦合输出端和交流耦合输出端；本实施例可以采用交流耦合输出端读出检测光电传感器的输出。
需要说明的是，杂散回波信号接收时刻，为发射的激光经过除测距光路以外的其它杂散光路到达检测光电传感器的时刻，与预设的杂散回波信号飞行时间相关，其中，预设的杂散回波信号飞行时间可以通过测量发射的激光信号经过除测距光路以外的其它杂散光路到达检测光电传感器所用的时间来得到。因此，杂散回波信号接收时刻可以为激光发射时刻与预设的杂散回波信号飞行时间的和，实质为预测的杂散回波信号接收时刻，因为实际的杂散回波信号在实际测距中已经无法检测到。
在杂散回波信号接收时刻，因为检测光电传感器的偏置电压小于击穿电压，因此杂散回波信号无法激发检测光电传感器，因此检测光电传感器无需恢复时间，因此在激光回波信号到达检测光电传感器时，检测光电传感器处于正常工作状态，且偏置电压大于击穿电压，因此检测光电传感器可以生成与激光回波信号对应的电流信号，因此测距电路可以根据该电流信号计算得到距离数据。
具体地，测距电路可以对激光回波信号对应的电流信号进行分析，得出距离数据，即测距距离；其中，测距距离按照光程计算，如下式所示：
D＝0.15m/ns×T
其中，T为激光回波信号的飞行时间，单位为ns(纳秒)。
可以理解的是，测距电路检测到激光回波信号对应的电流信号时的时刻与激光发射时刻的差值，可以作为激光回波信号的飞行时间，从而可以根据激光回波信号的飞行时间计算得到测距距离。
本实施例的激光雷达接收装置中，电源控制电路可以在杂散回波信号接收时刻，控制检测光电传感器的偏置电压小于击穿电压，使得杂散回波信号无法激发检测光电传感器，因此检测光电传感器无需恢复时间；在近距离测距时，即使激光回波信号的飞行时间很短，但此时检测光电传感器处于正常工作状态，且偏置电压大于击穿电压，激光回波信号仍然可以激发检测光电传感器，生成与激光回波信号对应的电流信号，因此测距电路可以根据该电流信号计算得到距离数据，缩短了近距盲区。可以理解的是，近距盲区理论上为杂散光路的光程，在厘米级别；而在整机系统上，考虑激光出射部分到整机外壳的光程，理论上可以在系统级实现零探测盲区。
在一个实施例中，参照图3所示，涉及测距电路的一种结构，具体地，测距电路12可以包括：
跨阻放大电路121，与检测光电传感器11连接，用于将电流信号转换为电压信号，并进行放大处理，得到放大后的电压信号；
第一处理电路122，与跨阻放大电路121连接，用于根据预设规则控制向检测光电传感器11施加的偏置电压，以及根据放大后的电压信号，计算得到距离数据。
可以理解的是，检测光电传感器根据激光回波信号生成的电流信号较弱，因此需要经跨阻放大电路转换为电压信号，并进行放大，便于第一处理电路进行信号处理。
需要说明的是，在无光照情况下，当施加的偏置电压大于击穿电压时，硅光电倍增管同样会输出电流信号，该电流信号与偏置电压正相关，持续时间与微单元的恢复时间近似相同；为便于区分，将激光回波信号导致的电流信号称为光电流信号，相应的电压信号为光电压信号；将偏置电压(实际为过电压)导致的电流信号称为偏置电流信号，相应的电压信号为偏置电压信号。因此第一处理电路得到的电压信号，可能在大部分时刻该电压信号仅包括偏置电压信号；而在激光回波信号到达检测光电传感器的时刻，该电压信号包括偏置电压信号与光电压信号。
可见，当激光回波信号到达检测光电传感器时，第一处理电路接收到的电压信号会突然增大，因此示例性地，第一处理电路可以根据接收到的电压信号，计算电压信号的电压梯度，当电压信号的电压梯度大于预设梯度阈值时，确定此时刻的电压信号包括光电压信号，即此时刻为激光回波信号到达检测光电传感器的时刻，从而可以根据激光回波信号到达检测光电传感器的时刻和激光发射时刻计算得到激光回波信号的飞行时间，进行计算得到测距距离。
当然，第一处理电路也可以采用其它信号处理方法检测光电压信号，从而确定激光回波信号到达检测光电传感器的时刻，本实施例对此并不限制。
然而一般情况下，光电流信号相比于偏置电流信号较弱，甚至存在量级上的差距，因此测距电路难以检测到光电流信号或光电压信号。基于此，参照图4所示，在图2a所示的激光雷达接收装置的基础上，本实施例的激光雷达接收装置还可以包括：参考光电传感器14，参考光电传感器14处于遮光状态，并与检测光电传感器11并联；
测距电路12可以包括：
对消及跨阻放大电路123，分别与检测光电传感器11和参考光电传感器14连接，用于对检测光电传感器11和参考光电传感器14输出的两路电流信号进行对消及跨阻放大处理，输出对消及跨阻放大处理后得到的电压信号；参考光电传感器14输出的电流信号与向参考光电传感器14施加的偏置电压正相关；
第二处理电路124，与对消及跨阻放大电路123连接，用于根据预设规则控制向检测光电传感器11施加的偏置电压，以及根据对消及跨阻放大处理后得到的电压信号，计算得到距离数据。
可以理解的是，因为参考光电传感器与检测光电传感器并联，因此参考光电传感器的偏置电压与检测光电传感器的偏置电压相等，即参考光电传感器与检测光电传感器的偏置电流信号相同；同时，因为参考光电传感器处于遮光状态，因此参考光电传感器输出的电流信号在任何时刻均是偏置电流信号。因此，对消及跨阻放大处理后得到的电压信号中已经通过对消处理，去除了偏置电压部分，仅为光电压部分，因此对消及跨阻放大处理后得到的电压信号在激光回波信号到达检测光电传感器的时刻为光电压信号，在激光回波信号到达检测光电传感器的时刻之外应该为0，因此第二处理电路可以灵敏地检测到对消及跨阻放大处理后得到的电压信号，并将检测到对消及跨阻放大处理后得到的电压信号的时刻，作为激光回波信号到达检测光电传感器的时刻；因此提高了检测到激光回波信号的灵敏度和准确度，提高了测距的准确性。
可选地，在一种实施方式中，对消及跨阻放大电路123可以包括：
第一对消电路，分别与检测光电传感器和参考光电传感器连接，用于对检测光电传感器和参考光电传感器输出的两路电流信号进行对消处理，输出对消处理后的电流信号；
第一跨阻放大电路，与第一对消电路连接，用于将对消处理后的电流信号转换为电压信号，并进行放大处理，得到放大后的电压信号。
可选地，在另一种实施方式中，对消及跨阻放大电路可以包括：
第二跨阻放大电路，分别与检测光电传感器和参考光电传感器连接，用于将检测光电传感器和参考光电传感器输出的两路电流信号分别转换为电压信号，并进行放大处理，得到两路放大后的电压信号；
第二对消电路，与第二跨阻放大电路连接，用于对两路放大后的电压信号进行对消处理，输出对消处理后的电压信号。
需要说明的是，对消及跨阻放大电路的实现至少有两种方式：一种是先做电流相减，然后跨阻放大，即上述第一种实施方式；另一种是先做跨阻放大，然后电压相减，即上述第二种实施方式。由于第二种实施方式会限制信号链路的有效动态范围，并增加功耗和成本，因此，本发明采用第一种实施方式实现对消及跨阻放大电路，其中，第一对消电路可以为巴伦变压器，第一跨阻放大电路可以为跨阻放大器。
如图5a所示，示出了一种对消及跨阻放大电路的实施方式，传感器A(检测光电传感器)和传感器B(参考光电传感器)输出的电流信号分别输入巴伦变压器平衡侧两端，对消后的剩余电流通过变压器耦合到一次侧，然后将电流信号输入跨阻放大器进行跨阻放大，得到跨阻放大处理后的电压信号。具体地，本实施例可以选用低插入损耗和高对称性的巴伦变压器，即信号衰减小且对消处理性能好的巴伦变压器，因此可以得到接近单个光电传感器输出的光电流信号范围；噪声方面，主要增加了匹配电阻RT的热噪声，该噪声远小于跨阻放大电路本身的电流噪声(跨阻放大处理均存在此噪声)，对光电流信号的信噪比的影响基本可以忽略；也就是说，仅增加了极小的热噪声，而光电流信号基本未削弱，对信噪比影响小，因此，该电路的光电流信号放大能力几乎没有下降。
如图5b所示，示出了一种对消及跨阻放大电路的实施方式，与图5b所示的对消及跨阻放大电路结构基本相同，但只用一个传感器A，参考光电传感器输出的对消信号由无源电路(传感器等效电路)实现；该传感器等效电路可以在电源控制电路控制的偏置电压下实现与遮光状态的参考光电传感器等效的输出特性。
如图5c所示，示出了一种对消及跨阻放大电路的实施方式，传感器A(检测光电传感器)和传感器B(参考光电传感器)输出的电流信号分别输入跨阻放大器进行一级放大，输出放大的电压信号，再将两路放大的电压信号输入减法器，输出对消后的电压信号，然后将对消后的电压信号进行次级放大；
如图5d所示，示出了一种对消及跨阻放大电路的实施方式，与图5c所示的对消及跨阻放大电路结构基本相同，但只用一个传感器A，参考光电传感器输出的对消信号同样由无源电路(传感器等效电路)实现。
对比上述四种对消及跨阻放大电路，后两种方案存在明显的问题是需要使用两个跨阻放大器件，并且第一级跨阻放大后，为了限制第一级输出信号幅度不饱和，会减小跨阻增益，因此需要额外增加放大级，这不仅增加了功耗，还增加了成本；对于第一种电路，可以满足设计要求，但由于使用了两个传感器，增加了成本；对于第二种电路，只需要一个传感器，在成本和功耗上都有较好的优势。
参照图4所示，激光雷达接收装置还可以包括：
电源模块15，分别与检测光电传感器11和电源控制电路13连接，用于接收电源控制电路13发送的控制信号，以及向检测光电传感器11施加与控制信号对应的偏置电压。可以理解的是，当参考光电传感器与检测光电传感器并联时，电源模块在向检测光电传感器施加偏置电压的同时，也在向参考光电传感器施加同样的偏置电压。该电源模块集成于激光雷达接收装置中，可以使得激光雷达接收装置更紧凑，供电方式更方便。
参照图6所示，电源模块可以包括依次连接的数模转换器、放大和调理器、以及输出驱动器；其中数模转换器用于接收电源控制电路发送的数字控制信号，并将数字控制信号转换为模拟控制信号，该模拟控制信号为电压控制信号，例如0～1V的电压波形信号；放大和调理器用于对电压控制信号进行放大处理和调理处理(例如电压控制信号的上下移动，调整幅值范围)；输出驱动器可以为功率放大器，可以将放大处理和调理处理后的电压控制信号进行放大并输出到检测光电传感器，即输出偏置电压。电源模块可以采用高速数模转换器配合高驱动能力的输出驱动器实现对偏置电压在时间和幅度上的精准控制。
在一个实施例中，参照图7所示，示出了检测光电传感器的偏置电压的波形示意图，同时也表征了电源控制电路控制偏置电压的预设规则，具体可以包括：电源控制电路在发射时刻和初始时刻之间的第一预设时间段内，控制向检测光电传感器施加的偏置电压小于击穿电压；发射时刻为激光信号的发射时刻，初始时刻位于杂散回波信号接收时刻之后；第一预设时间段为包括杂散回波信号接收时刻的时间段。
可选地，电源控制电路还用于在初始时刻和第一时刻之间的第二预设时间段内，提升向检测光电传感器施加的偏置电压，且提升梯度大于预设梯度；第二预设时间段为偏置电压的提升时间段。
可选地，电源控制电路还用于在第一时刻和第二时刻之间的第三预设时间段内，根据预设的激光回波信号接收时刻与偏置电压的对应关系，确定当前时刻对应的偏置电压的值，并根据当前时刻对应的偏置电压的值，控制向检测光电传感器施加的偏置电压；其中，预设的激光回波信号接收时刻与偏置电压的对应关系是根据预设的测距飞行时间与检测光电传感器的增益的对应关系，以及预设的检测光电传感器的增益与偏置电压的对应关系确定的；第三预设时间段为测距时间段。
其中，参照图7所示，激光发射时刻可以为T＝0时刻，初始时刻为Tbr，且初始时刻位于杂散回波信号接收时刻之后，因此在0～Tbr的第一预设时间段内，偏置电压小于击穿电压Vbr，光电放大增益近似为零，避免了杂散回波信号对检测光电传感器的激发。
在Tbr～T1的第二预设时间段内，偏置电压快速上升，上升梯度高于1V/ns，使得检测光电传感器的光电放大倍数快速提升，以保证在第三预设时间段内检测传感器可以对杂散回波信号之后的真实的激光回波信号进行足够有效的放大，保证可以被检测到；为了尽快提升偏置电压，Tbr时刻的偏置电压可以为Vbr，可以减少第二预设时间段的时长。
在T1～T3的第三预设时间段内，激光雷达接收装置可以对激光回波信号进行足够有效的放大。当近距离测距时，激光回波信号飞行时间较短，激光回波信号强度较高，因此增益要求低，避免过饱和；而当远距离测距时，激光回波信号飞行时间较长，激光回波信号强度较低，因此增益要求高，避免检测不到；因此，根据预设的测距飞行时间与检测光电传感器的增益的对应关系，以及预设的检测光电传感器的增益与偏置电压的对应关系，可以确定激光回波信号的飞行时间与偏置电压的对应关系；进而根据激光发射时刻，可以确定激光回波信号接收时刻与偏置电压的对应关系。
其中，预设的测距飞行时间与检测光电传感器的增益的对应关系可以根据不同的测距飞行时间对应的激光回波信号强度所需的增益来确定；预设的检测光电传感器的增益与偏置电压的对应关系可以根据测量得到的不同偏置电压下，检测光电传感器的增益来确定。
可以理解的是，第一预设时间段的确定与激光发射时刻和初始时刻有关，初始时刻与杂散回波信号接收时刻有关，若杂散回波信号接收时刻足够准确，置信度够高，则初始时刻可以等于杂散回波信号接收时刻；一般地，需要在杂散回波信号接收时刻和初始时刻之间设置一个安全时间段。第二预设时间段与初始时刻和第一时刻有关，实际与电源模块对偏置电压的提升能力有关，提升梯度越快，第二预设时间段便越短；在偏置电压提升能力一定的情况下，第一时刻与最短有效测距距离相关，可以在对最短有效测距距离进行测距时，能够对激光回波信号进行有效放大，使得激光回波信号对应的电流信号可以被检测到。第三预设时间段与第一时刻和第二时刻有关，第二时刻与最长有效测距距离相关，在测距离较长时，激光回波信号强度极低，需要更大的增益、更灵敏的检测光电传感器和更准确的信号处理算法。
本实施例的偏置电压控制规则一方面抑制了杂散光路的杂散回波信号，一方面实现了时间增益控制，通过改变不同时间的偏置电压来限制检测光电传感器的放大倍数，从而避免激光回波信号饱和，保证测距精度。
在一个实施例中，当发射的激光信号为脉冲信号时，电源控制电路用于根据预设规则输出控制信号，通过控制信号控制向检测光电传感器施加脉冲偏置电压。当然，本实施例并不限于连续型的激光信号，也不限于脉冲型的激光信号；脉冲型的激光信号的功率相对较高，因此可以增加最长有效测距距离，增加测距量程。可以理解的是，脉冲信号具有一定周期，在每个周期内，本实施例的电源控制电路对偏置电压的控制可以参照上面的描述。
在一个实施例中，预设的杂散回波信号飞行时间为发射的激光信号经过除测距光路以外的其它杂散光路到达检测光电传感器的过程中飞行时间的多次测量值的统计值；优选的，飞行时间的多次测量值的统计值可以为多次测量值的最大值，因为一般在预测的杂散回波信号接收时刻之前控制偏置电压小于击穿电压，因此可以尽可能让预测的杂散回波信号接收时刻在一定置信度范围内尽可能大一些，尽可能保证真实的杂散回波信号接收时刻在预测的杂散回波信号接收时刻之前，以保证真实的杂散回波信号接收时刻偏置电压小于击穿电压，提升稳定性。
此外，本实施例还提出了一种激光雷达系统，包括激光雷达发射装置和上述激光雷达接收装置，激光雷达发射装置用于发射激光信号。本实施例的激光雷达系统理论上可以实现零探测盲区。
参照图8所示，本实施例还提出了一种激光测距方法，该方法可以包括：
S801，发射激光信号；
S802，根据预设规则，控制检测光电传感器的偏置电压；
S803，在检测光电传感器的偏置电压大于击穿电压时，获取检测光电传感器输出的电流信号；电流信号与发射的激光信号对应的激光回波信号相关；
S804，根据电流信号，计算得到距离数据。
其中，预设规则包括：在杂散回波信号接收时刻，检测光电传感器的偏置电压小于击穿电压；杂散回波信号接收时刻，为发射的激光信号经过除测距光路以外的其它杂散光路到达检测光电传感器的时刻，与预设的杂散回波信号飞行时间相关。
本实施例的激光测距方法可以应用于激光测距系统中，激光测距系统的控制器可以控制检测光电传感器的偏置电压小于击穿电压，使得杂散回波信号无法激发检测光电传感器，因此检测光电传感器无需恢复时间；即使在近距离测距时，即使激光回波信号的飞行时间很短，但此时检测光电传感器处于正常工作状态，且偏置电压大于击穿电压，激光回波信号可以激发检测光电传感器，生成与激光回波信号对应的电流信号，可以有效探测杂散回波信号之后的激光回波信号，因此激光测距系统的控制器可以根据该电流信号计算得到距离数据，缩短近距盲区。
可选地，在一种实施方式中，S804可以包括：将电流信号转换为电压信号，并进行放大处理，得到放大后的电压信号；根据放大后的电压信号，计算得到距离数据。
可选地，在另一种实施方式中，该方法还可以包括：在获取检测光电传感器输出的电流信号的同时，获取参考光电传感器输出的电流信号；参考光电传感器处于遮光状态，并与检测光电传感器关联；参考光电传感器输出的电流信号与参考光电传感器的偏置电压正相关；S804可以包括：对检测光电传感器和参考光电传感器输出的两路电流信号进行对消及跨阻放大处理，输出对消及跨阻放大处理后得到的电压信号；根据对消及跨阻放大处理后得到的电压信号，计算得到距离数据。
关于激光测距方法的具体描述可以参见上文中对于激光雷达接收装置的描述，在此不再赘述。
在一个实施例中，提出了一种激光测距控制器，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现以下步骤：
发射激光信号；
根据预设规则，控制检测光电传感器的偏置电压；
在检测光电传感器的偏置电压大于击穿电压时，获取检测光电传感器输出的电流信号；电流信号与发射的激光信号对应的激光回波信号相关；
根据电流信号，计算得到距离数据；
其中，预设规则包括：在杂散回波信号接收时刻，检测光电传感器的偏置电压小于击穿电压；杂散回波信号接收时刻，为发射的激光信号经过除测距光路以外的其它杂散光路到达检测光电传感器的时刻，与预设的杂散回波信号飞行时间相关。
在一个实施例中，提出了一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
发射激光信号；
根据预设规则，控制检测光电传感器的偏置电压；
在检测光电传感器的偏置电压大于击穿电压时，获取检测光电传感器输出的电流信号；电流信号与发射的激光信号对应的激光回波信号相关；
根据电流信号，计算得到距离数据；
其中，预设规则包括：在杂散回波信号接收时刻，检测光电传感器的偏置电压小于击穿电压；杂散回波信号接收时刻，为发射的激光信号经过除测距光路以外的其它杂散光路到达检测光电传感器的时刻，与预设的杂散回波信号飞行时间相关。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种激光雷达接收装置，其特征在于，包括：
检测光电传感器，用于接收激光回波信号，并在所述检测光电传感器的偏置电压大于击穿电压时，将所述激光回波信号转换为电流信号；
测距电路，与所述检测光电传感器连接，用于根据所述电流信号，计算得到距离数据；
电源控制电路，与所述检测光电传感器连接，用于根据预设规则控制向所述检测光电传感器施加的偏置电压；
其中，所述预设规则包括：在杂散回波信号接收时刻，所述检测光电传感器的偏置电压小于所述击穿电压，使得杂散回波信号无法激发所述检测光电传感器；所述杂散回波信号接收时刻，为发射的激光信号经过除测距光路以外的其它杂散光路到达所述检测光电传感器的时刻，与预设的杂散回波信号飞行时间相关；
其中，所述电源控制电路用于在发射时刻和初始时刻之间的第一预设时间段内，控制向所述检测光电传感器施加的偏置电压小于所述击穿电压；所述发射时刻为激光信号的发射时刻，所述初始时刻位于所述杂散回波信号接收时刻之后；所述第一预设时间段为包括所述杂散回波信号接收时刻的时间段；
所述电源控制电路还用于在初始时刻和第一时刻之间的第二预设时间段内，提升向所述检测光电传感器施加的偏置电压，且提升梯度大于预设梯度；所述第二预设时间段为偏置电压的提升时间段；
所述电源控制电路还用于在第一时刻和第二时刻之间的第三预设时间段内，根据预设的激光回波信号接收时刻与偏置电压的对应关系，确定当前时刻对应的偏置电压的值，并根据当前时刻对应的偏置电压的值，控制向所述检测光电传感器施加的偏置电压；其中，所述预设的激光回波信号接收时刻与偏置电压的对应关系是根据预设的测距飞行时间与检测光电传感器的增益的对应关系，以及预设的检测光电传感器的增益与偏置电压的对应关系确定的；所述第三预设时间段为测距时间段。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测距电路包括：
跨阻放大电路，与所述检测光电传感器连接，用于将所述电流信号转换为电压信号，并进行放大处理，得到放大后的电压信号；
第一处理电路，与所述跨阻放大电路连接，用于根据所述放大后的电压信号，计算得到距离数据。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光雷达接收装置还包括：参考光电传感器，所述参考光电传感器处于遮光状态，并与所述检测光电传感器并联；
所述测距电路包括：
对消及跨阻放大电路，分别与所述检测光电传感器和所述参考光电传感器连接，用于对所述检测光电传感器和所述参考光电传感器输出的两路电流信号进行对消及跨阻放大处理，输出对消及跨阻放大处理后得到的电压信号；所述参考光电传感器输出的电流信号与向所述参考光电传感器施加的偏置电压正相关；
第二处理电路，与所述对消及跨阻放大电路连接，用于根据所述对消及跨阻放大处理后得到的电压信号，计算得到距离数据。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述对消跨及阻放大电路包括：
第一对消电路，分别与所述检测光电传感器和所述参考光电传感器连接，用于对所述检测光电传感器和所述参考光电传感器输出的两路电流信号进行对消处理，输出对消处理后的电流信号；
第一跨阻放大电路，与所述第一对消电路连接，用于将所述对消处理后的电流信号转换为电压信号，并进行放大处理，得到放大后的电压信号。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述对消及跨阻放大电路包括：
第二跨阻放大电路，分别与所述检测光电传感器和所述参考光电传感器连接，用于将所述检测光电传感器和所述参考光电传感器输出的两路电流信号分别转换为电压信号，并进行放大处理，得到两路放大后的电压信号；
第二对消电路，与所述第二跨阻放大电路连接，用于对所述两路放大后的电压信号进行对消处理，输出对消处理后的电压信号。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当发射的激光信号为脉冲信号时，所述电源控制电路用于根据预设规则输出控制信号，通过所述控制信号控制向所述检测光电传感器施加脉冲偏置电压。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述预设的杂散回波信号飞行时间为发射的激光信号经过除测距光路以外的其它杂散光路到达所述检测光电传感器的过程中飞行时间的多次测量值的统计值。
8.一种激光雷达系统，其特征在于，包括激光雷达发射装置和如权利要求1-7中任一项所述的激光雷达接收装置，所述激光雷达发射装置用于发射激光信号。
9.一种激光测距方法，其特征在于，所述方法包括：
发射激光信号；
根据预设规则，控制检测光电传感器的偏置电压；
在所述检测光电传感器的偏置电压大于击穿电压时，获取所述检测光电传感器输出的电流信号；所述电流信号与所述发射的激光信号对应的激光回波信号相关；
根据所述电流信号，计算得到距离数据；
其中，所述预设规则包括：在杂散回波信号接收时刻，所述检测光电传感器的偏置电压小于所述击穿电压，使得杂散回波信号无法激发所述检测光电传感器；所述杂散回波信号接收时刻，为发射的激光信号经过除测距光路以外的其它杂散光路到达所述检测光电传感器的时刻，与预设的杂散回波信号飞行时间相关；
其中，所述根据预设规则，控制检测光电传感器的偏置电压，包括：
在发射时刻和初始时刻之间的第一预设时间段内，控制向所述检测光电传感器施加的偏置电压小于所述击穿电压；所述发射时刻为激光信号的发射时刻，所述初始时刻位于所述杂散回波信号接收时刻之后；所述第一预设时间段为包括所述杂散回波信号接收时刻的时间段；
所述根据预设规则，控制检测光电传感器的偏置电压，还包括：
在初始时刻和第一时刻之间的第二预设时间段内，提升向所述检测光电传感器施加的偏置电压，且提升梯度大于预设梯度；所述第二预设时间段为偏置电压的提升时间段；
在第一时刻和第二时刻之间的第三预设时间段内，根据预设的激光回波信号接收时刻与偏置电压的对应关系，确定当前时刻对应的偏置电压的值，并根据当前时刻对应的偏置电压的值，控制向所述检测光电传感器施加的偏置电压；
其中，所述预设的激光回波信号接收时刻与偏置电压的对应关系是根据预设的测距飞行时间与检测光电传感器的增益的对应关系，以及预设的检测光电传感器的增益与偏置电压的对应关系确定的；所述第三预设时间段为测距时间段。
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