CN110244315A - 用于接收光信号的接收装置和用于接收光信号的方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及用于接收光信号的接收装置和用于接收光信号的方法。该方法和该接收装置的特点在于：设置光接收器，该光接收器将光信号转换成电信号。还设置有分析电路，该分析电路根据电信号借助于将电信号分配到时间的与时间相关的光子计数来确定在接收装置与光信号在其上被反射的至少一个对象之间的距离，其中与时间相关的光子计数被执行至少两次。

Description

用于接收光信号的接收装置和用于接收光信号的方法

技术领域

本发明涉及根据专利独立权利要求的前序部分所述的用于接收光信号的接收装置和用于接收光信号的方法。

背景技术

从WO 2017/081294 A1公知一种用于光学测距的设备和方法。其中，使用发送矩阵来发出测量脉冲并且使用接收矩阵来接收被反射的测量脉冲。使用发送矩阵的子集来发出测量脉冲。

发明内容

与此相应的具有专利独立权利要求的特性的按照本发明的用于接收光信号的接收装置或按照本发明的用于接收光信号的方法具有如下优点：现在通过如下方式更好地保障借助于光信号的测距，即，执行与时间相关的光子计数至少两次。通过该措施，尤其是在车辆领域的LiDAR(激光雷达)应用中实现了在信号处理方面的高数据完整性。在与时间相关的光子计数中使用的对直方图的确定和其它处理步骤由此有效地被保护以防错误。存在不同的错误情形，这些错误情形尤其可能在直方图计算中出现。例如，由于辐射可能使存储值偶然发生变化。可能出现读或写地址错误。值可能在其大小方面突然发生变化。通过本发明以其效果来避免这种错误。因为例如在车辆中的LiDAR应用中可以将这种周围环境解释用于在车辆的移动方面影响该车辆，所以在当前情况下必须确保信号处理的高可靠性。

在当前情况下，接收装置是如下组件，该组件具有所说明的光接收器和分析电路。这可以作为一体化的模块存在，然而也可能的是：接收装置分散地存在，即不是作为唯一的组件来存在。如下光信号被接收，即，该光信号通常是事先以在当前情况下的发送装置来发出的。LiDAR技术尤其已经被证明适合于测距。在此，对于车辆的周围环境解释来说，通过这种激光信号来检测周围环境是可能的。这些激光信号通过半导体激光器、通常甚至是激光阵列(即这种激光器的场)来产生。为此，使用从现有技术公知的VCSEL。该VCSEL能在半导体技术中以可靠的并且简单的方式和方法来制造。通常，对于LiDAR应用来说，使用在红外范围内的波长。然而，也可以使用在可见光范围内的波长。

优选地，使用激光脉冲作为光信号，所述激光脉冲优选地在两微秒的时长之内被发出，也就是说每秒发出具有例如5nm的宽度的脉冲包。这两个微秒对应于车辆周围300米的单程距离。通常通过所谓的飞行时间方法来进行距离确定，也就是说测量光需要被发送方发射并且到达接收方的时间。为此，接收方使用开始信号(其以信号控制光信号的光发射)以及所接收到的光信号。根据开始信号与所接收到的光信号的接收时间之间的时间差，接收方可以确定对象的距离。开始信号由发送方电地和/或光学地传输给接收方。

通常使用所谓的单光子雪崩二极管(Single-Photon-Avalanche-Diodes，SPAD)的场，作为光接收器。这些二极管在所谓的盖革模式(Geiger-Modus)下在高于击穿电压的大的高截止电压下运行，使得原则上一个光子已经足以触发雪崩过程。然而，因为存在散射光，所以存在一定的噪声波，从该噪声波起，雪崩过程才开始发生。然而，在当前情况下，其它光接收器也是可能的。

光接收器的功能是：将光信号转换成电信号。这通过光电效应来实现。

光接收器还连接到分析电路上，该分析电路根据电信号借助于将电信号分配到时间的与时间相关的光子计数来确定在接收装置与光信号在其上被反射的至少一个对象之间的距离。为此，分析电路也使用发送方的开始信号，该开始信号表明了光信号或光脉冲的发射。该开始信号例如可以来自发送方的脉冲发生器或激光驱动器。

分析电路可以是集成电路，其中硬件和/或软件式地实施功能。可能的是：存在多个集成电路，但是也存在分立式模块或者这些模块的组合。

在当前情况下，与时间相关的光子计数是确定飞行时间的方法。在此，根据光子已经产生的电信号来确定时间并且将该时间录入到直方图中。于是，通过进行最大值寻找，在多次测量之后寻找如下时间，该时间具有大多数的命中。于是假定：该光脉冲需要针对从发送方直至接收方的该时间并且据此可以接着不受拘束地确定距离。为此，如上面描述的那样，也使用开始信号。

在与时间相关的光子计数中，所发出的光脉冲的各个被接收到的光子探测并且被计数并且被录入到直方图中，也就是说在时间方面看，该一个或多个光子关于光脉冲的发出出现在哪个位置。发出光脉冲和计数被重复多次。由此实现激光脉冲的很精确的时间测量。例如，发送装置利用多个光子射到对象，这些光子通过接收装置被接收。通过对该光子确定的经常重复，可能的是关于光脉冲的飞行时间方面精确地确定光脉冲。在当前情况下，在接收装置中的SPAD(单光子雪崩二极管)分别在探测光子时提供二元值脉冲。脉冲的时间点利用时间数字转换器来确定并且接着被录入到直方图中。这样，在当前情况下实现了与时间相关的光子计数。

按照本发明，现在执行与时间相关的光子计数至少两次。这可以并行地进行或者按顺序地进行。如果并行地进行，则相同的接收元件、例如两个分析电路的例如SPAD的输出信号应该被分析。该分析电路可以是相同的或者可以是不同的，例如它们可以在精度方面被区分。借此，尤其应该检测偶然的错误并且将这些偶然的错误从分析过程中清除，从而在车辆或者使用LiDAR的其它应用中利用对LiDAR信号的分析确定没有错误的控制信号。

电信号尤其是数字信号，其中光接收器输出模拟信号，随后根据该模拟信号来产生数字信号或至少一个脉冲。

光信号在其上被反射的对象是如下对象，该对象被发送装置通过光信号来照射并且其反射到达接收装置。在此，在交通中例如可涉及其它车辆、行人或固定的对象。

提出：执行与时间相关的光子计数至少两次。可能的是执行该与时间相关的光子计数超过两次，以便实现比在只执行了两次时对结果的更高的保障。

通过在从属权利要求中说明的措施和扩展方案，可以实现本发明的有利的设计方案。

有利的是：分析电路以比与时间相关的第一光子计数低的时间分辨率来实施与时间相关的第二光子计数。因为这里涉及保障目的，所以可以使用更低的分辨率。这节约了资源和处理时间。

还有利的是：与时间相关的第一光子计数相比于至少一个与时间相关的第二光子计数具有四倍、八倍或十六倍的分辨率。也就是说可能的是：降低到直至分辨率的四分之一、八分之一或十六分之一，以便执行与时间相关的第二光子计数用以进行保障。由此可以实现相对应的节省。

还有利的是：对于第一和至少一个其它的与时间相关的光子计数来说，设置相应的时间数字转换部。这意味着：对于于第一和其它的与时间相关的光子计数来说存在两个分开的硬件路径。这能够实现对结果的良好的保障，这是因为由此不太可能两个硬件路径同时被错误来源影响。然而，替选地可能的是：时间数字转换纯软件式地被执行而且存在两个不同的软件程序，这两个不同的软件程序分别执行该时间数字转换。这也可以在同一硬件上执行。替选地，同一直方图也可以依次实施时间数字转换。借此，于是通过实施时间数字转换的实施的不同的时间来执行隔离，以便关断上面提到的错误来源。

有利的是：时间数字转换部对于至少一个与时间相关的第二光子计数来说具有计数器。这是时间数字转换部的相比于例如在下文示出的方案更简单的变型方案。

时间数字转换是用于确定例如在两个脉冲之间的时间并且将该时间转化成数字值的方法。为此，例如可以使用计数器，该计数器通过例如所接收到的光脉冲或所发出的光脉冲的开始和停止信号来激活。为了在通过计数器确定的计数状态的开始和结束时确定错误，使用所谓的内插法。为此，可以使用延迟电路。然而也可能的是：使用两个彼此不和谐的振荡器或者使用所谓的过采样、例如四倍过采样并且借此对信号进行采样。接着，通过在计数开始以及计数结束时的计数状态和根据内插法获得的值，可以精确地测量时间以及借此精确地测量飞行时间。

该方法的优点在于大约100ps的高的时间分辨率。这对应于10GHz的采样频率或1.4cm的测距精度。

还有利的是：设置可信性检查单元，该可信性检查单元依据第一和至少一个与时间相关的第二光子计数的数据来输出可信性检查信号。这能够实现对与时间相关的光子计数是否输出可信的值的额外保障。这例如可以通过如下方式来实现：第一和第二光子计数的四个或八个相邻的直方图录入项的总和相等或者具有至少一个允许的区别。

还有利的是：用于该可信性检查的数据是在确定的时间段内的计数的数目或者是对象探测。在计数的数目上方，可以在直方图中以高分辨率并且以低分辨率执行对两次测量的可信性检查。但是，利用对象探测、也就是说测距或其它对象参数也可以实现对两个直方图的这种可信性检查。

有利的是：在分析电路中的分开的分析路径上确定第一和至少一个与时间相关的第二光子计数。这明确地说明：在分开的分析路径上实施与时间相关的光子计数并且借此存在关于结果方面的高保障。

还有利的是：计数器在第二分析路径中与用于相移的模块连接，因为供应给计数器的参考节拍根据由发送电路接收的开始信号而有延迟。借此，与时间相关的第二光子计数被调整到发送电路的开始信号上并且配备有与参考节拍相比相同的相移。这能够实现更好的信号处理。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出并且在随后的描述中进一步予以阐述。其中：

图1示出了车辆和对象；

图2示出了按照本发明的接收装置的第一框图；

图3示出了按照本发明的接收装置的第二框图；

图4示出了按照本发明的接收装置的第一电路；

图5示出了按照本发明的接收装置的部分电路图；并且

图6示出了按照本发明的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了朝着方向R移动的车辆V。车辆V具有LiDAR模块LI1至Li6。LiDAR模块是用于发出光信号的发送装置和按照本发明的用于接收接着被反射的光信号的接收装置。这些LiDAR模块检测车辆V的周围环节。可以使用更多个或更少个LiDAR模块，而且也可以在车辆V的其它位置上使用LiDAR模块。因而，通过LiDAR模块Li1来检测对象OB。通过测距和依据对象的运动参数的相对应的表征，可能的是：推断出可能的碰撞并且影响车辆V的相对应的移动，以便不与对象OB发生碰撞。

LiDAR模块Li1至Li6具有按照本发明的接收装置以及发送装置，该发送装置如上面所描述的那样利用激光阵列发出激光脉冲，以便接着利用SPAD阵列来接收在对象OB上反射的激光脉冲并且接着相对应地利用与时间相关的光子计数来分析在对象OB上反射的激光脉冲，以便确定在对象OB与车辆V之间的距离。为此，使用飞行时间方法。

图2以第一框图示出了按照本发明的接收装置。转换器20将光学信号、即光信号转换成电信号。该电信号被转交给模拟数字转换部21。模拟数字转换部可以是如下装置，该装置根据转换器20、优选地SPAD的信号来产生数字信号，这也可以被称作事件信号或Event。然而，也可以仅仅设置脉冲形成或脉冲延长。

由此改变的也仍可以经受其它处理步骤的电信号于是被发到两个分开的硬件路径上，其方式是在第一硬件路径或分析路径中实施与时间相关的第一光子计数ZPZ1而在第二分析路径中实施与时间相关的第二光子计数ZPZ2。这些信号被转交给分析模块A，接着，在该分析模块中，利用这些信号来填充这两个直方图，一个以更高的分辨率来填充而另一个以低分辨率或者甚至以相同的分辨率来填充。接着，通过在多次计数和对这些直方图的填充之后的最大值寻找，由用于对象的接收电路确定在两个直方图中的距离并且将在当前情况下是否存在可信的信号的这些结果彼此进行比较。如上面所说明的那样，为了距离确定，使用针对激光脉冲的发射的开始信号，该开始信号由发送方转交给接收装置。

于是，距离信号或其导数通过接口模块IF被发给其它处理单元，以便例如算出车辆功能。

图3示出了按照本发明的接收装置的第二框图。在方框20中，又根据光信号来产生电信号。然后，这在框21中又被转换成数字信号。在框ZPZ3中进行与时间相关的光子计数。在当前情况下，该与时间相关的光子计数被执行两次并且相对应的信号于是逐渐被转发给分析模块A，该分析模块又对两个直方图进行填充。类似地，通过接口模块IF来转发距离确定或该距离确定的所推导出的信号。在与时间相关的光子计数中，多次重复发出激光脉冲。在重复的测量开始时，将在相应的直方图中的具有例如高分辨率和低分辨率的所有存储位置都设置到零。

图4示出了按照本发明的与发送装置连接的接收装置的电路图。发送装置具有脉冲发生器PG，该脉冲发生器给激光驱动器LD供应相对应的信号，以便在给定的时间通过半导体激光器L来输出激光脉冲，该半导体激光器以阵列存在，在该阵列中布置有多个这种激光二极管。激光二极管L通过电阻R接地。在激光二极管L与电阻R之间将激光二极管的输出信号作为单元输出给比较器Comp并且与参考电压Vref进行比较。根据此，将脉冲作为开始信号输出给接收装置。

该开始信号到达时间数字转换部TDC并且到达移相器PS。在当前情况下，利用二极管D来接收光信号，该二极管代表整个二极管阵列。如上面实施的那样，在当前情况下涉及SPAD。该SPAD处于预载电压Vspad下。二极管D通过淬灭电阻切断到接地。通过该淬灭电阻RQ进行所谓的淬灭：雪崩效应被抑制并且最终停止，在当前情况下通过电阻RQ来停止。这也在远小于1ms的时间内发生。该淬灭是必需的，以便阻止光电二极管的自损。利用最频繁地使用的电阻的淬灭被称作被动淬灭。还存在更复杂的设计方案，所述更复杂的设计方案接着相对应地被提到。

信号event在光电二极管D与淬灭电阻RQ之间到达块TDC中，该块TDC实施成时间数字转换部。来自发送装置的开始信号也到达该块中。此外，块PS给时间数字转换部TDC供应节拍RC。该节拍由块RPS也随着事件计数器EC开始地被发送给与TDC平行的分析路径。信号event也到达该事件计数器EC中。借此，SPAD的信号不仅可以由时间数字转换部而且由事件计数器并行地处理。时间数字转换部TDC将事件时间、即一个或多个光子被二极管D接收到的时间输出给直方图H。在那里，在直方图中录入相对应的时间，也就是说在直方图中将存储位置的值提高一，该值对应于自发出激光脉冲起的运行时间。时间数字转换部TDC例如使用500MHz参考节拍，而且在内部例如通过延迟电路来产生例如为250ps的高时间分辨率。

事件计数器(其由移相器PS根据发送方的开始信号相移地获得节拍)将信号输出给保持环节ho。通过移相器PS，事件计数器可以在500MHz基础下在相位方面与开始脉冲(＝开始信号)适应，该开始脉冲也被用作时间数字转换TDC的开始的参考。由此可能的是：使250ps直方图的多个存储位置的事件聚集的时间范围同步。

事件计数器可不同步地对在500MHz区间内出现的多个事件进行计数。利用每个节拍周期，当前的计数状态被暂存在保持环节中并且随后被加到相对应的存储位置的值。保持环节的信号ho被录入到另一直方图LRH中，该另一直方图具有比直方图H更低的分辨率。该直方图LRH的存储位置也从所谓的二进制数计数器(Bin Counter)bc中选择。二进制数计数器bc同样通过信号Start来重置。不仅直方图H而且直方图LRH都将其信号输出给块C，该块C将这些信号进行比较。由于信号偏差，该块C可以允许在直方图中的小的区别。

计数器EC在某些状况下也可以被实施为1位计数器。单个的SPAD通常具有10至20ns的死区时间。因而，在2ns区间(500MHz节拍)内只能出现一个唯一的事件。

但是也可能的是：将多个SPAD单元通过组合逻辑电路并行地连接在时间测量单元上。在这种情况下，在2ns参考节拍周期内可能出现多个SPAD触发，而且需要具有相对应地更大的字宽度的计数器。

最后，参考节拍也可以被选择得远低于500MHz，由此同样可能在每个时间区间出现更多个事件。

图5示出了按照本发明的接收电路的另一实施方案的部分电路图。在当前情况下，现在不再存在第二分析路径，而是只存在唯一的时间数字转换部TDC，于是，该时间数字转换必须受到单独的检查。光电二极管的信号event和发送装置的信号Start进入到时间数字转换部中。据此，相对应地重新确定时间，光子在其发出之后以该时间到达接收装置中。该时间视时间数字转换部TDC以哪个分辨率工作而定地要么输出给直方图H要么输出给直方图LRH。首先以高分辨率、即例如八倍分辨率录入到直方图H中并且以相对应地更低的分辨率来录入到直方图LRH中。这切换装置S实行，该切换装置相对应地操控开关SL。该控制装置S也操控节拍发生器CL，该节拍发生器能够从节拍中去除时间数字转换，以便这样降低分辨率。也可设想的是降低节拍并且借此降低分辨率的其它可能性。

图6以流程图示出了按照本发明的方法。在方法步骤600中，光电二极管D将所接收到的光信号变换成电信号。在方法步骤601中，这些电信号用于执行距离确定，在该方法步骤601中执行与时间相关的光子计数。在此，使用时间数字转换，该时间数字转换现在被执行两次，以便消除偶然的错误来源。

附图标记列表

OB 对象

V 车辆

R 方向

Li1-8 LiDAR模块

20 将光信号变换成电信号的转换器

21 模拟数字转换部

ZPZ1 与时间相关的第一光子计数

ZPZ2 与时间相关的第二光子计数

A 分析模块

IF 接口模块

ZPZ3 与时间相关的光子计数

PG 脉冲发生器

LD 激光驱动器

L 激光二极管

R 电阻

Comp 比较器

Vref 参考电压

Vspad SPAD的截止电压

D 光接收器、SPAD

Rq 淬灭电阻

TDC 时间数字转换部

PS 移相器

ec 计数器

ho 保持环节

bc 二进制数计数器

LRH 具有低分辨率的直方图

H 具有高分辨率的直方图

C 比较器

CI 节拍发生器

SI 开关

S 切换装置

600 方法步骤

601 方法步骤

Claims (10)

1.一种用于接收光信号的接收装置，所述接收装置具有：

-光接收器，所述光接收器将光信号转换成电信号；

-分析电路，所述分析电路根据所述电信号借助于将所述电信号分配到时间的与时间相关的光子计数和用于所述光信号的发射的开始信号来确定在所述接收装置与至少一个对象之间的距离，其中所述与时间相关的光子计数被执行至少两次。

2.根据权利要求1所述的接收装置，其特征在于，所述分析电路以比与时间相关的第一光子计数低的时间分辨率来实施至少一个与时间相关的第二光子计数。

3.根据权利要求2所述的接收装置，其特征在于，与时间相关的第一光子计数相比于至少一个与时间相关的第二光子计数具有四倍、八倍或十六倍的分辨率。

4.根据上述权利要求中任一项所述的接收装置，其特征在于，针对每个与时间相关的光子计数，设置相应的时间数字转换部(TDC)。

5.根据权利要求4所述的接收装置，其特征在于，所述时间数字转换部对于至少一个第二光子计数来说具有计数器。

6.根据上述权利要求中任一项所述的接收装置，其特征在于，设置可信性检查单元，所述可信性检查单元依据第一和至少一个与时间相关的第二光子计数的数据来输出可信性检查信号。

7.根据权利要求6所述的接收装置，其特征在于，所述数据是在确定的时间段内的计数的数目或者是对象探测。

8.根据上述权利要求中任一项所述的接收装置，其特征在于，在分析电路中的分开的分析路径上确定第一和至少一个与时间相关的第二光子计数。

9.根据权利要求8所述的接收装置，其特征在于，所述计数器在第二分析路径中与用于相移的模块连接，该模块将供应给所述计数器的参考节拍根据由发送电路接收的开始信号延迟。

10.一种用于接收光信号的方法，所述方法具有如下方法步骤：

-将所接收到的光信号转换成电信号；

-借助于将所述电信号分配到时间的与时间相关的光子计数和用于所述光信号的发射的开始信号来确定在所述接收装置与对象之间的距离，其中所述与时间相关的光子计数被执行至少两次。