CN110244316A - 接收光脉冲的接收器组件、LiDAR模组和接收光脉冲的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种接收光脉冲的接收器组件、LiDAR模组以及接收光脉冲的方法。在此，设置有至少一个光敏的接收器(SPAD)，该光敏的接收器将光脉冲转换为电信号。设置有与接收器联接的评估电路，该评估电路借助于与时间相关的光子计数通过至少一个关于光脉冲的飞行时间的直方图由电信号确定在接收器组件与反射光脉冲的至少一个物体之间的距离。所评估的电路被配置为使得评估电路从至少一个预定的距离起施行距离确定的分辨率的降低。

Description

接收光脉冲的接收器组件、LiDAR模组和接收光脉冲的方法

技术领域

本发明涉及按独立权利要求的类属的用于接收光脉冲的接收器组件和LiDAR模组(激光雷达模组(Modul))以及用于接收光脉冲的方法。

背景技术

由US 9,268,012 B2实现了用于借助二维的平面激光器场对物体进行三维检测的设备和方法。在此，在该激光器场中还是用单独激光器的组。这些激光器是所谓的VCSEL(vertical cavity surface emitting lasers(垂直腔面发射激光器))并且通常由半导体制成。相应的使激光射束平行化的光学器件已被公开。此外，使用了光电探测器，它们以随机或规则的图案布置。在光电探测器的前面布置有微透镜阵列，使得每个光电探测器对应于相应的微透镜。这些微透镜也布置在激光器场的前面。

发明内容

相比之下，根据本发明的具有独立权利要求的特征的用于接收光脉冲的接收器组件或LiDAR模组或用于接收光脉冲的方法所具有的优点在于，与光敏的接收器连接的评估电路，借助于与时间相关的光子计数通过至少一个关于光脉冲的飞行时间的直方图，由源自接收器的电信号确定在接收器组件与反射所确定的光脉冲的至少一个物体之间的距离。在这种情况下，针对光脉冲的发射使用开始信号，以便获得飞行时间的开始时间点。评估电路从至少一个预定的距离起施行距离确定的分辨率降低。

通过使用与时间相关的光子计数可以实现非常准确的距离确定，并且距离确定的分辨率的降低意味着对于直方图的存储空间的要求减小，因而支出的成本和耗费更小。

例如，距离确定的以系数2降低导致在数厘米内的不确定性，这例如100或150米的距离起是完全可以接收的，并且例如对于针对可能的碰撞的物体确定而言不会产生缺点。接收器组件或LiDAR模组或根据本发明的方法特别是被考虑用于车辆。在此，LiDAR技术已被证明是特别适用于例如与其他环境传感器，比如摄像机、雷达和/或超声组合地施行准确的物体分类和距离确定。

接收器组件用于接收已被周边环境中的物体或车辆的物体反射的光脉冲，特别是激光脉冲。因此，然后可以识别或表征这些物体，并且特别是至少可以进行距离确定。接收器组件可以作为模组安装或者安装在车辆中。但也可能是接收器组件由不同的部分组成，这些部分分开地安装在车辆中，并且然后根据本发明进行协作并相应地连接。

如已经提到的那样，光脉冲通常是由例如具有激光器场或激光器阵列的发送器电路输出的激光脉冲。由此特别是可以通过所谓的飞行时间(time of flight)确定距离，这是因为飞行时间对应于光从接收器组件到物体并再次返回的所需的距离的两倍。这些光脉冲通常优选地在红外范围内发出激光脉冲。也可以在可见区域发送它们。相应地，对于期望的光而言，发送器即例如激光器还有接收器即通常的光电二极管被设计为使得发出的光也可以由接收器接收。激光器优选是由化合物半导体制成的半导体激光器。激光脉冲以特定频率或周期发出，其产生距离物体300米远的测量。

因此，这种光敏的接收器是将光脉冲转换成电信号的转换器。在此，光脉冲的光子由光接收器转换成电流。如从从属权利要求中得出的那样，通常将单光子雪崩二极管(SPAD＝Single Photon Avalanche Diode)的场设置为接收器，其能逐列或逐行地依赖于信号地被激活。也就是说，在该示例中，激光器阵列同样被逐列或逐行操控，并且因此光电二极管阵列中的相应的列或行被选择给接收器。由此能够实现扫描环境。具体而言，这意味着，在激光器阵列的第一列发送光脉冲时，光电二极管阵列中的第一列或行的按如下方式被操控，即，使得仅该第一列或行准备用于接收在物体处反射的光脉冲。

电信号(即脉冲或脉冲序列)或具有关于接收光脉冲的信息的不同种类的信号被输送给评估电路。在相应的预处理之后，该电信号通过至少一个直方图进入与时间相关的光子计数，以便通过光脉冲的飞行时间确定接收器阵列与反射光脉冲的至少一个物体之间的距离。在储存在存储器中的直方图中(其中直方图也可以是多个)，光子以及因此在由通过评估电路并且特别是通过与时间相关的光子计数获知的各个时间的相应的电信号被存储。通过每个周期的多次测量(其中射出光脉冲或光脉冲的组)，于是可以通过最大搜索来获知时间，该时间最频繁地发生并且然后用作飞行时间。由此，可以通过光速以简单的方式确定距离。

如从从属权利要求中得出的那样，至少一个时间数字转换部(Time to DigitalConverter)可用于与时间相关的光子计数。利用该电路，每个电信号被分配相应的时间，并且然后将其储存在直方图中。

该时间分辨率对应于空间分辨率。根据本发明现在已经认识到，可以针对更大的距离降低空间分辨率。这是因为，分辨率仅变得如此粗糙，即，在这些距离的情况下降低分辨率对于距离确定的不再重要。例如，因此可以以系数2降低距离确定的分辨率并因此降低时间分辨率，其可以使存储成本降低一半。例如，时间数字转换部的典型时间分辨率是125ps。将其加倍，时间分辨率为250ps。

在与时间相关的光子计数中，光脉冲的各个光子被探测并计数并被输入直方图中，确切地说是从时间上看一个或多个光子出现的位置。光脉冲的发射和计数重复多次。由此实现了激光脉冲的非常准确的时间测量。例如，物体被发送装置以许多光子击中，然后这些光子由接收器组件接收。由于频繁重复这种光子确定，可以准确地就其飞行时间确定光脉冲。为此例如可以使用模-数转换器，并且特别是将测量的光子时间输入到存储器中的直方图中，并且然后在最后通过逻辑电路确认最大值。在当前情况下，本发明的有利设计方案使用了具有500MHz至2GHz的时间分辨率的快速模-数转换器。利用所谓的对数闪存模-数转换器，可以成本低廉地实现这一点。在这种情况下，将电压施加到电阻器的串联电路，其中在电阻器上，输入端与比较器相联。这种串联电路用英文称为voltage ladder(电压梯)。

该方法的优点是，利用与时间相关的光子计数可以探测很远处的物体的弱的接收信号。由于多次重复测量并在直方图中积累，可以提高相对于干扰性的周边环境光的有用信号，然而，10GHz量级的高扫描率的现实化目前无法成本低廉地实现。

评估电路应该如以上所示的那样从至少一个预定的距离降低分辨率。这是可以控制的，即，已经预先给出了，在对于特定的时间段的特定的时间简单地进行并且因此不能识别该时段中的较短距离，或者可以自适应地执行，由于至少一个距离估算，当物体接近时，分辨率可以向下切换或然后还再次增加。评估电路可以组成为集成的半导体模块，其例如由硅或不同的半导体模块制成，或者也可以以离散的电和电子模块的组合组成。

物体通常可以是另一车辆、行人、诸如石头的固定物体、交通标志等。

针对光脉冲的发射的开始信号表示由发送器电路(该发送器电路具有用于发射光脉冲的激光器)传递到接收器组件并且然后当发生光脉冲发射的信号，确切地说，通过该开始信号表示光脉冲的飞行时间的时间上的零点。该开始信号可以电地实施，是方案并且然后通过相应的接口传递给接收器组件。另一种替选是利用发射的光，即，发送的光也直接耦合到接收器组件，然后转换成电开始信号。开始信号的信息可以是数字或模拟调制的。

距离确定的分辨率的降低所意味的是，如上所示那样，最小的时间分辨率增加，即，代替如上所示的125ps地，其为250ps。这对应于空间分辨率的降低，这是因为它涉及光脉冲运动的光速，对应于125ps的空间分辨率为1.88cm而对应于250ps地为3.75cm。若再次将时间分辨率加倍，也就是只能解析500ps，则空间分辨率劣化到7.5cm。特别是在道路交通中，覆盖了300米的距离。在光速下，这对应于2000ns即2μs的测量时间。这是上述周期的时长。脉冲时长为200ns。在这个即2μs时间中，测量值可以存储在直方图中。

评估电路可以是由硅组成的集成电路，但是它也可以由不同的半导体模块、由离散的结构元件或其组合组成。信号处理的部分也可以特别地通过在评估电路上运行的软件来完成。

由从属权利要求得出在独立权利要求给出的接收器组件和LiDAR模组以及用于接收光脉冲的方法的其他有利实施方案。

特别有利的是，评估电路具有控制部，该控制部降低针对预定的时间区段降低由电信号确定距离的节拍。通过这种节拍降低，如上所示地那样降低时间和空间分辨率。该控制部可以是例如软件命令、信号，从而例如使得时间数字转换部提供减半的节拍或确保其向下切换。该信号例如可以来自评估电路的另一模块或来自评估电路的外部。

此外，有利的是，评估电路具有至少一个用于与时间相关的光子计数的时间数字转换器，其中控制部降低至少一个时间数字转换部的节拍。时间数字转换部是用于确定例如两个脉冲之间的时间并将切转变成数字字(Digitalwort)的方法。对此例如可以使用计数器，其例如由例如接收的光脉冲或发射的光脉冲的开始和停止信号激活。为了确定由计数器获知的计数状态开始和结束时的误差，使用所谓的插值。为此，可以使用延迟电路。然而还可行的是，使用两个相互失谐的振荡器或使用所谓的过扫描，例如，四重过扫描，并由此对信号进行扫描。通过计数和从计数开始时的插值和计数结束处获得的值，可以准确地测量时间并因此测量飞行时间。

该方法的优点在于约100ps的高时间分辨率。这对应于10GHz的扫描率或1.5cm的距离测量精度。

替选地可行的是，至少一个时间数字转换器保持其节拍，并且然后使用下面描述的其他方法来降低分辨率。

此外，有利的是，所述评估电路具有从电信号产生扫描值的扫描部，其中，所述评估电路具有针对扫描值的信号处理部，其汇总扫描值以达到距离确定的分辨率的降低。因此可行的是，将电信号数字化，或者产生表明当前的扫描值的相应的脉冲，其中，这些扫描值然后被汇总，这对应于距离确定的分辨率的降低，这是因为然后这两个扫描值不再能被解析。如所示的那样，评估电路、信号处理部和其他部件都能够以软件技术和/或硬件技术来实现。

此外，有利的是，分析电路具有用于至少一个直方图的至少一个存储器，其针对距离确定的分辨率的降低施行至少一个比特移位。通过比特移位例如，可以消除最小价值的扫描值，以便实现距离达到的分辨率的降低。例如，在存储器中的相应索引地址中，丢弃最低的因此最小价值的位，其使得直方图存储器中的二进制地址在每一级向右移一位。例如在从0到75米的距离的情况下不施行移位，也就是移位0位，在从75到150米的距离的情况下不施行1位移位，并在从150到1300米的距离的情况下不施行2位移位。这达到了分辨率的降低。这种存储器可以设置仅用于直方图，但是也可以将半导体存储器的一部分用于直方图。这可以是静态的或动态的。

有利的是，评估电路为每个光脉冲在直方图中存储100到150个测量值，优选130个测量值。如已经提到的那样，在假设距离确定的最大距离为300m时，当前示例性地输出为2000ns的测量时间。然后，例如，在直方图中为每个光脉冲存储100到150个测量值，并且优选130个测量值，以便通过飞行时间确定物体的距离。

有利的是，所述接收器具有单光子雪崩二极管(SPAD＝Single Photon AvalancheDiode))组成的场，其能逐列或逐行依赖于发送器电路的信号而被激活。在当前情况下，假设对周边环境的扫描，也就是对周边环境的扫描，以便通过逐列或逐行地操控激活阵列中的激光器来达到车辆，并且相应地实现逐列或逐行地操控SPAD阵列中的阵列。也就是说，若激活激光器阵列中的第一列，则SPAD阵列中的第一列也被激活。有利地，这表征发送器电路发送光脉冲。由此，达到了SPAD的列的激活的同步化。应当注意的是，设置例如噪声阈值，以便滤除不是源自光脉冲的周边环境光或杂散光。为此最终需要多于一个光子以便产生电信号，根据本发明，该电信号在评估电路中被进一步处理。噪声阈值以电子方式设置。

附图说明

在以下描述中示出了本发明的实施例并且通过附图结合实施例进行阐述。在附图中：

图1示出了车辆中的LiDAR模组的示例性配置；

图2示出了具有根据本发明的接收器电路的LiDAR模组的框图；

图3示出了根据本发明的接收器电路的电路片段；且

图4示出了根据本发明的方法的流程图；

图5示出了物体和与车辆相比具有不同的距离的示图；并且

图6示出了直方图的时间和空间分辨率的分配关系的表格。

具体实施方式

图1示出了车辆V，其沿方向R运动。车辆V具有LiDAR模组Li1至Li8。这些LiDAR模组检测车辆V的周边环境。因此，物体OB由LiDAR模组Li1检测。通过借助物体的运动参数进行的距离确定和相应表征，可以推断出可能的碰撞并影响车辆V的相应的运动，以便不与物体OB相撞。

LiDAR模组为Li到Li8具有根据本发明的接收器组件和发送器装置，其如以上所描述的那样通过激光器阵列发送激光脉冲，以便然后通过SPAD阵列接收在物体OB上反射的激光脉冲，并且然后通过与时间相关的光子计数进行评估，以便确定物体OB和车辆V之间的距离。为此使用飞行时间方法。

图2以框图描述了具有根据本发明的接收器组件的根据本发明的LiDAR模组。发送器装置包括具有列或行20、21等的激光器阵列LA。如上所示，这些列或行20、21是被单独操控的。因此，实现了对车辆V的周边环境的扫描。光学器件OS通常使由激光器阵列LA输出的当前列或行20的激光射束平行化。然而，对于该光学器件，其他配置也是可能的。

激光器阵列LA由模块DC驱动，该模块相应地具有用于激光器阵列LA的驱动器和控制部。因此，激光器阵列中的激光器在所期望的运行点中运行并使得发射激光射束。

该模块DC还将信号输出到接收器组件，并且在这种情况下输出到控制部ST。在接收器组件中存在所谓的前端RF，其优选示例性地具有SPAD阵列，该SPAD阵列同样具有列或行22、23等。在这里，相应地操控各个列或行。在这里示出的是，由于在激光器阵列LA20中的第一列或行已被操控，在此现在也驱动SPAD阵列的第一列或列22。在此也设置光学器件OE，其针对各个列将接收到的光脉冲平行化。于是在接收器前端RF中，由接收的光脉冲通过SPAD产生相应的电信号。这些信号被整理，其中在此将各个SPAD汇总成所谓的宏SPAD。这简化了信号处理，并且不必为每个二极管SPAD设置自己的接收器或自己的评估电路。

然后将电信号输送到时间数字转换部TDC，以便执行与时间相关的光子计数。接收器前端RF由模块GT操控，以便操控SPAD阵列中的相应列。模块GT从接收器电路的控制部ST获得该信号。控制部ST还通过接口IF与车辆中的外界连接，也就是说，它接收信号并且还通过该接口IF将信号发送到其他部件，例如评估控制器等。

时间数字转换部TDC通过直方图中的与时间相关的光子计数以上述方式执行距离确定。这可以在缓冲器B中暂存或者也可以不暂存，并且继续引导到处理模块P中，在那里执行所有必要的计算，以便从测量到的数据获知距离数据和所属的质量数据。通过接口IF，数据被输出到另外的处理部。另外，通过接口IF对芯片组进行参数化。

图3示出了根据本发明的接收器组件的电路的一部分。举例来说，仅示出了光电二极管SPAD，其相应地以偏置电压SPAD加载。所谓的淬灭通过淬灭电阻RQ进行：雪崩效应被扼流并最终停止，这在当前情况下是由电阻RQ引起的。这还发生在远小于1ns的时间内。这种淬灭对于防止光电二极管的自毁是必要的。使用最常用的电阻进行淬灭称为无源淬灭。也存在更复杂的设计方案，然后相应地调用它们。

二极管SPAD的电输出信号被输送给脉冲延长器30。该输出信号在或门31中与同一列的其他二极管的其他输出信号32关联。因此，建立了所谓的宏二极管或宏接收器。这也与由或门33象征性地示出的该列的其他二极管一起完成。也可以设置另外的或门。这些或门又与另一个或门34相关联。然后将总信号输送给时间数字转换部TDA3。TDA3将脉冲信号转换为时间信号，然后可以将时间信号输入直方图S中。然后，在直方图S中，每个测量时间(如上所示地例如为2ms)输入130次测量。通过最大搜索确认为该光脉冲分配的时间。由此，然后通过P3距离确定。然后可以通过接口IF发送该距离。时间数字转换部TDA3可以受到模块S3(其也可以是软件模块)的影响，使得节拍降低。这以上述方式降低了时间分辨率并因此降低了距离分辨率。由此节约了存储器S中的存储器，特别是也节约了用于预定的距离的存储器，从该运动的距离起应当发生分辨率的降低。替选地也可行的是，模块S的降低通过模块P3执行，其方式例如为，执行比特移位(Bitshift)或甚至也汇总扫描值。

图4示出了作为根据本发明的方法的示例的流程图。在方法步骤400中，发进行光脉冲到电信号的转换，然后在方法步骤401中通过与时间相关的光子计数将该电信号用于距离确定。在方法步骤402中，在距离达到预定值例如100或150米或175米时，则时间分辨率降低并且因此空间分辨率降低。

图5示出了物体OB5位于与车辆V5呈300m的距离的情况。车辆V5在车辆前部2处具有LiDAR模组Li50和Li51。物体OB5现在处于如下的距离，在该距离处，由这些LiDAR模组Li50和Li51发出的光脉冲的时间分辨率降低。但即使在100米、150米和200米的其他距离处，也可以逐步地进行距离确定的分辨率的降低。

图6在表格中示出了时间分辨率和空间分辨率的示例性分配关系。在列中示出了以英文单词Bin(二进制数)标识的直方图中每个元素的时间分辨率。其从上开始以值125、250和500ps给出。这对应于第二列中以厘米表示的距离分辨率，即1.88、3.75和7.5cm。对于整个测量区段，在分辨率为125ps每Bin时，在第三列中需要16000个Bin。相应地，当减半时，则只要8000，并且于是进一步只要4000。这表明了在内存要求方面可以实现的明显优势。如果再添加脉冲序列，则增加到值17600、8800和4400，如第四列所示。

附图标记列表

V、V5 车辆

R 方向

Li1-8 LiDAR模组

OB、OB5 物体

LA 激光器阵列

20、21 激光器阵列的列

OS 光学器件

DC 模块

ST 控制部

RF 前端

22、23 SPAD阵列的列

OE 光学器件

TDC 时间数字转换部

GT 模块

IF 接口

P 处理模块

RQ 淬灭电阻

30 脉冲延长器

31、33、34 或门

32 输出信号

TDA3 时间数字转换部

S 直方图的存储器

P3 评估部

S3 模块

400、401、402 方法步骤

Li50、51 LiDAR模组

Claims (9)

1.用于接收光脉冲的接收器组件，所述接收器组件具有

-至少一个光敏的接收器(SPAD)，所述光敏的接收器将光脉冲转换为电信号，

-与接收器联接的评估电路，所述评估电路借助于与时间相关的光子计数通过至少一个关于光脉冲的飞行时间的直方图并且依赖于针对光脉冲的开始信号地由所述电信号确定在所述接收器组件与反射光脉冲的至少一个物体之间的距离，其中所述评估电路被配置为使得评估电路从至少一个预定的距离起施行距离确定的分辨率的降低。

2.根据权利要求1所述的接收器组件，其特征在于，所述评估电路具有控制部(ST)，所述控制部针对预定的时间区段降低用于由所述电信号来确定距离的节拍。

3.根据权利要求2所述的接收器组件，其特征在于，所述评估电路具有至少一个用于与时间相关的光子计数的时间数字转换器，其中所述控制部(ST)降低至少一个时间数字转换器(TDC)的节拍。

4.根据权利要求1所述的接收器组件，其特征在于，所述评估电路具有扫描器，所述扫描器由所述电信号来产生扫描值，其中，所述评估电路具有扫描值的信号处理部，所述信号处理部汇总扫描值，以便达到距离确定的分辨率的降低。

5.根据权利要求1所述的接收器组件，其特征在于，所述评估电路具有用于至少有一个直方图的存储器(S)，所述存储器为了降低距离确定的分辨率而施行至少一个比特移位。

6.根据前述权利要求中任意一项所述的接收器组件，其特征在于，所述评估电路为每个光脉冲在直方图中储存100至150个测量值，优选130个测量值。

7.根据前述权利要求中任意一项所述的接收器组件，其特征在于，所述接收器具有单光子雪崩二极管(SPAD)的场，其能逐列或逐行地依赖于信号地被激活。

8.具有根据权利要求1至7中任意一项所述的接收器组件并具有发送器电路的LiDAR模组，所述LiDAR模组具有激光器阵列，其中，所述激光器阵列是能逐列或逐行地激活的，并且开始信号标识由列或行发出光脉冲，其中，通过该信号激活所述接收器的场中的相应的列或行。

9.用于在以下步骤中接收光脉冲的方法：

-通过光敏的接收器(SPAD)将光脉冲转换为电信号，

-通过与时间相关的光子计数利用至少一个关于光脉冲的飞行时间的直方图并且依赖于针对光脉冲的发射的开始信号，由所述电信号确定在接收器电路与反射光脉冲的至少一个物体(OB)之间的距离，

-从至少一个预定的距离起施行距离确定的分辨率的降低。