CN111656219B - 用于使用光信号确定至少一个对象的距离的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于确定至少一个对象的距离的装置和方法。通过第一组光接收元件将光信号转换成第一电信号，并且通过第二组光接收元件将光信号附加地转换成第二电信号。基于用于发射光信号的起动时间，借助于时间相关的光子计数过程，第一电信号用于确定所述距离。此外，借助于附加的信号处理，第二电信号用于确定所述距离，所述附加的信号处理不同于所述时间相关的光子计数过程。与第一组相比，第二组对于将光子转换成电流具有较低的灵敏度。

Description

用于使用光信号确定至少一个对象的距离的装置和方法

技术领域

用于使用光信号确定至少一个对象的距离的装置和方法。

本发明基于根据独立权利要求的类别的用于使用光信号确定至少一个对象的距离的装置和方法。

背景技术

从US 2004/0233942 A1已知一种用于测量调制后的光信号的相位的系统和方法。在这种情况下，所谓的单光子检测器(single-photon detector，SPD)用于接收。此外，还指出SPAD(single-photon avalanche diode，单光子雪崩二极管)所属的这些类型的检测器具有所谓的停滞时间。

发明内容

相比之下，具有独立权利要求的特征的用于使用光信号来确定至少一个对象的距离的根据本发明的装置和根据本发明的方法具有的优势是：通过使用不同组的光接收元件，可以特别好地检测近距离，其中，相对于第二组光接收元件，第一组光接收元件对于将光信号转换成电信号具有更高的灵敏度。出于多个原因，监控近距离特别重要：为了自诊断LiDAR传感器，应该监控前面板的传输功能。LiDAR系统前面的对象在几厘米的距离处必须是可检测的，也就是说，正在接近的对象不应该在此近距离内消失。当人或对象非常接近LiDAR传感器时，激光器的安全法规可能要求降低发射的光输出。

还存在问题的是，在发射和接收装置前面的通用前面板上的反射光脉冲可以触发光接收元件，该光接收元件例如被配置为SPAD单元。在这样的触发之后，SPAD单元具有所谓的停滞时间。该停滞时间可以是大约10纳秒至20纳秒，此后又可以重新检测光信号。另外，如果正在发送光信号，在脉冲宽度例如为5纳秒的情况下，测量是不可能的。前面板可以在发射器和接收器之间提供直接的光学反馈。如果系统被设计用于例如200m的远距离，则必须使用具有高能量的光信号和非常敏感的接收元件。因此，前面板的小的反向散射(例如1％)足以使接收器完全眩目。典型的SPAD接收器单元导致10纳秒至20纳秒的停滞时间，这相当于1.5米至3米的近距离，在此距离内无法识别对象。除了激光雷达系统之外，本发明还可以用于相关的系统。

特别地，根据本发明的装置和根据本发明的方法使得能够通过提供合适的第二组光接收元件来补偿(例如第一组光接收元件具有的)停滞时间。也就是说，停滞时间不再在近距离处发挥作用。总体上，提出了用于使用光信号确定至少一个对象的距离的装置和方法，该装置和方法在重要的近距离内没有盲区。

用于使用光信号确定至少一个对象的距离的装置是紧凑的装置，其例如被壳体包围，在该壳体内，只有一个用于光信号的接收部分或具有用于光信号的接收部分和发射部分的组合。可替选地，该装置的部件可以是分布式的而不是局部地组合。

对象和装置之间的距离是通过这两者之间的延续的连接。对象是反射光信号的空间形式。它可以例如是车辆、行人、自行车、石头或其它对象。光信号通常是激光信号，然而并非由激光器发射的其它光信号也是可能的。

将光信号转换成第一电信号的第一组光接收元件例如是所谓的单光子雪崩二极管(SPAD)。这些SPAD具有高反向电压，使得仅一个光子就足以触发这些二极管中的雪崩效应。雪崩击穿必须通过主动或被动的猝灭电路停止，以防止部件被破坏。停止雪崩击穿并恢复SPAD二极管的接收的准备状态需要大约10纳秒至20纳秒。在此期间无法进一步检测。

在LiDAR应用中，可以将各种这样的二极管组合以形成宏二极管，例如通过将输出信号彼此进行或运算或者将输出信号彼此相加。例如，硅光电倍增管(siliconphotomultiplier，SiPM)使用多个SPAD二极管的输出信号的简单模拟求和。这种单光子雪崩二极管通常由硅制成。然而，化合物半导体也是可能的。这种二极管的工作模式也称为盖革模式(Geiger mode)。

例如，第二组是光电二极管或雪崩光电二极管(avalanche photodiode，APD)，其将光信号转换成第二电信号。

信号处理可以是软件功能和/或硬件功能。如果存在硬件模块，则可以将它们组合成一个硬件模块，或者划分成不同的硬件模块。

第一信号处理根据用于发射光信号的起动信号、借助于时间相关的光子计数、基于第一电信号来确定距离。在这种情况下，可以使用例如TCSPC(时间相关的单光子计数)测量原理来执行对象检测。该测量方法是用于测量快速变化的光强度的技术。在这种情况下，重复多次测量，并且与激发脉冲有关的各个时间相关的光子根据其测量时间被分类成所谓的TCSPC直方图。这通常具有0.1纳秒至1纳秒的时域信道分辨率或组距，并且代表由激光脉冲反向散射的光的时域进程。这使得能够得到反向散射激光脉冲的非常精确的时间测量。例如，对象被发射装置用许多光子击中，然后该光子被接收器装置接收。通过频繁重复该光子确定，可以在光脉冲的飞行时间和幅度方面精确地确定该光脉冲。测量完成后，在直方图中确定局部最大值的时间。最大值的时域位置使得能够确定一个或多个对象的距离。

例如，起动信号是驱动激光驱动器的脉冲发生器的信号。因此实现了接收的光信号与发射的光信号的信号处理的同步。这简化了信号处理。用于发射光信号的起动信号由发射器电路输出。通过接口将该起动信号读入信号处理。光信号的发射是指从发射器电路发射的光。可替选地，可以将发射的光的一部分馈送到接收器电路。在接收器电路处，该部分的光随后被转换成电信号。

与第二组光接收元件相比，第一组光接收元件对于将光信号转换成电信号具有更高的灵敏度。在这种情况下，例如，SPAD或SiPM可以用于第一组，而光电二极管或雪崩光电二极管用于第二组。

光接收元件对于接收光信号的灵敏度应理解为入射光与电输出信号之间的关系。对于模拟光电探测器(例如APD)，低灵敏度意味着与具有更高灵敏度的这种光接收元件相比，需要更多的光来产生相同的光电流。对于SPAD光电探测器，具有低灵敏度的光电管(photocell)与具有高灵敏度的接收器单元相比具有较低的光子检测概率。

第二信号处理与时间相关的光子计数不同。虽然SPAD二极管的第一电信号例如可以直接地数字处理，但优选地，第二电信号是必须以非常高的采样率数字化的模拟信号。具有高采样率的常规模数转换导致高成本并且需要大量能量。使用便宜的顺序模数转换与时间相关的光子计数的结合是特别有利的。

这同样适用于根据本发明的方法。

通过从属权利要求中列出的措施和其它实施方式，可以实现如在独立权利要求中所描述的用于使用光信号确定至少一个对象的距离的装置和方法的有利改进。

第二信号处理根据起动信号、借助于时间相关的顺序采样、基于第二电信号确定对象的距离。时间相关的顺序采样是用于对周期性重复出现的电信号数字化的通用方法。在当前的激光雷达应用中，针对模拟光电探测器信号的采样率应达到1GHz至10GHz。对于已知的模数转换器，这只有在高成本和高能耗的情况下才有可能。

时间相关的顺序采样利用了以下特性：可以在多个信号周期内将周期性重复出现的信号数字化。在这种情况下，模拟输入信号在多个信号周期内采样，采样参数以针对性的方式变化。因此，采样是在多个信号周期内顺序进行的。然后各个测量的结果与输入信号的周期相关，即与时间相关。然后采样的信号具有更高的时域分辨率或更高的质量。

该特定应用使用了TCSPC距离测量方法的特性，其中以已知的信号周期重复地发射激光脉冲。一方面，可以使用例如SPAD光电探测器来评估从对象反向散射的光，其中，将各个光子事件输入到时间同步的直方图中。并行布置的模拟接收元件也可以接收光信号。由于光脉冲被多次发射，因此采样可以在脉冲发射的多个周期内顺序进行。由于脉冲传输的周期是已知的，因此容易将顺序采样的测量值带入恰当的时域关系。

在这种情况下，有利的是，用于第二电信号的时间相关的顺序采样将优选的模拟值与至少一个斜坡信号进行比较，并将输出信号馈送到第一时间数字转换并反向馈送到第二时间数字转换，其中，第一时间数字转换和第二时间数字转换可以通过起动信号起动，并且在输出侧与直方图相连。直方图填充有第二直方图值。斜坡信号是等于锯齿信号的上升电压信号。

用于对象检测的辅助测量方法是所谓的TDC(time-to-digital conversion，时间数字转换)。这是识别状况并提供两个事件之间发生的时间的数字表示的装置。例如，TDC可以输出每个输入脉冲的到达时间。特别地，两个脉冲之间的时间间隔由TDC确定。在这种情况下，可以在信号脉冲的上升沿或下降沿超过相应的阈值时开始和停止测量。例如，时间数字转换是用于确定两个脉冲之间的时间并将其转换成数字字(Digital word)的方法。例如，计数器可以用于该目的，该计数器通过例如接收的光脉冲或发射的光脉冲的起动信号和停止信号来激活。所谓的插值用于确定由计数器确定的计数器读数的开始和结束时的误差。为此可以使用延迟电路。然而，也可以使用相互失谐的两个振荡器或使用所谓的过采样(例如四重过采样)，从而对信号采样。可以通过计数器读数以及在计数开始时和计数结束时从插值获得的值来精确地测量时间以及因此精确地测量飞行时间。

此外，有利的是，第一组光接收元件具有单光子雪崩二极管作为光接收元件，并且第二组光接收元件具有光电二极管或雪崩光电二极管作为光接收元件。

光电二极管将接收到的光转换成电流。雪崩效应被添加至所谓的雪崩光电二极管。因此，这些光电二极管比传统的光电二极管更灵敏。

光电二极管或雪崩光电二极管布置在半导体模块的边缘也是有利的，单光子雪崩二极管位于该半导体模块上。可替选地，可以将光电二极管或雪崩光电二极管布置在单光子雪崩二极管之间，优选地以列或行分开。在这种情况下，第一光接收元件和第二光接收元件具有共同的接收透镜。

此外，可以将光电二极管或雪崩光电二极管紧邻半导体模块布置。在这种情况下，第一组光接收元件和第二组光接收元件均具有相关联的接收透镜。因此透镜可以适用于其各自的光接收元件。

此外，有利的是，设置至少一个斜坡计数器以产生所述至少一个斜坡信号，该计数器的计数值随着每个起动信号增加，直到预定的最终值，其中该计数值被输出到至少一个数模转换器，所述至少一个数模转换器在输出侧连接至比较器。

此外，有利的是，所述至少一个斜坡信号的上升时间的倒数是时间相关的光子测量的脉冲的频率的整数倍。已经证明这是有利的比率。

附图说明

本发明的实施方式在附图中示出并且在下面的描述中更详细地说明。

在这里示出：图1是具有LiDAR模块的车辆，

图2是根据本发明的装置的第一框图，

图3是根据本发明的装置的第二框图，

图4是具有第一组光接收元件和第二组光接收元件的半导体模块的表面，

图5是具有第一组光接收元件和第二组光接收元件的半导体模块的另一表面，以及

图6是根据本发明的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出沿方向R移动的车辆V。车辆V具有LiDAR模块Li1至Li6。LiDAR模块是用于发送光信号的发射装置，并且是根据本发明的用于接收随后反射的光信号的接收器装置。这些LiDAR模块检测车辆V的周围环境。可以使用更多或更少的LiDAR模块，并且也可以在车辆V的其它位置使用。因此，对象OB由LiDAR模块Li1检测。通过确定距离并基于对象OB的运动参数相应地表征，可以推断出可能的碰撞并影响车辆V的相应移动，以便不与对象OB碰撞。

LiDAR模块Li1至Li6具有根据本发明的接收器装置和发射装置，如上所述，该发射装置使用激光阵列发射激光脉冲，以便随后使用SPAD阵列接收在对象OB上反射的激光脉冲，然后使用时间相关的光子计数对其相应地评估，以确定对象OB与车辆V之间的距离。为此使用了飞行时间方法。

图2示出根据本发明的装置的第一框图。该框图上还示出了发射装置。发射装置具有脉冲发生器PG，脉冲发生器PG向激光驱动器LD提供脉冲信号。取决于这些信号，激光驱动器驱动激光器L，该激光器L发射光，该光通过透镜O1相应地发射到周围环境。同样到达激光驱动器的起动信号也从脉冲发生器PG发送至根据本发明的装置的信号处理S。在这种情况下，起动信号被馈送至时间相关的光子计数zPz1和时间相关的顺序采样zPz2。因此，所接收的光信号的评估与来自发射器电路的光信号的发射同步。在此，根据本发明的装置例如仅由代表第一组光接收元件和第二组光接收元件的一者来表示。两种光接收元件都有其各自的相关透镜。可以只使用一个透镜。透镜被标记为O2和O3，激光器的透镜被标记为O1。透镜O3将光引导至第二组光接收元件上。

透镜O2将光引导至单光子雪崩二极管SPAD上，SPAD使用雪崩效应将甚至单个光子转换成电流。因此，第一组光接收元件和第二组光接收元件使用相同的光源L用于距离测量(距离)。

如果该二极管接收到相应的光子，则创建事件，该事件被馈送至时间相关的光子计数zPz1。根据该事件的时域位置，在直方图中输入相应的时间。这通常在脉冲组内或单个脉冲内重复。

这与第二组光接收元件相似，在此第二组光接收元件用光电二极管PD表示。光电二极管也处于偏置电压V_PD之下。可替选地，可以使用雪崩光电二极管。在确定取决于时间的阈值之后，将该光电流馈送至时间相关的顺序采样zPz2，并且同样将其随着相应的时间输入直方图中。评估A根据这些直方图值并且因此最终还根据起动信号确定装置到对象OB的距离。输出该值。评估A可以位于另一控制装置中，并且在这种情况下，直方图值直接地传输或者也可以仅传输中间值。

图3在第二框图中示出根据本发明的装置与发射器电路的组合。相同的附图标记表示相同的元件。依次地，起动信号从脉冲发生器PG发射至根据本发明的装置的信号评估。现在在此执行具有时间数字转换TDC1的时间相关的光子计数以及具有TDC2和TDC3的时间相关的顺序采样。来自单光子雪崩二极管SPAD的事件信号作为事件被发送至第一时间数字转换TDC1。对于每个事件，在直方图H1中输入相应的时间。

光电二极管PD的输出信号通过跨阻放大器TIA提供给比较器Comp，并且从而提供给正输入端。从计数器和数模转换器生成的斜坡信号被发送至负输入端。取决于差值，比较器输出输出信号，该输出信号作为事件输出至第二时间数字转换TDC2。该事件反向输出至第三次时间数字转换TDC3。两个时间数字转换TDC2和TDC3的输出信号被输入到第二直方图H2中。直方图H2还包括斜坡计数器RC的计数器信号。斜坡计数器RC也由起动信号Start触发。

时间数字转换测量所谓事件的相对于起动信号的时间。最终，光电二极管或雪崩光电二极管布置在平行于SPAD接收元件的光接收路径中。光电流被跨阻放大器TIA转换成电压。如上所示，由斜坡计数器RC和数模转换器生成的锯齿信号的上升时间是脉冲发生器频率的倍数。对此存在替选方案。每次起动脉冲发生器时，计数器增加一。二进制值被传送至数模转换器，该数模转换器将该值转换成模拟斜坡信号。当斜坡计数器达到定义的值时，停止该斜坡计数器并可以评估测量结果。如上所述，比较器的输出信号连接至两个时间数字转换TDC2和TDC3。第一时间数字转换器TDC2测量当光电检测器的输出信号超过斜坡信号的值时的时间。第二时间数字转换器TDC3接收反向的比较器信号，并测量当光电探测器信号下降到斜坡信号的值以下时的时间。斜坡信号发生器还输出对应于斜坡阈值的数字计数器值。直方图中记录了光电探测器信号高于斜坡信号的值的时间间隔。在测量周期开始时，所有直方图值均以零值初始化。每当光电探测器信号超过斜坡信号时，相应的二进制堆栈(bin)就被斜坡计数器的当前计数器值填充。当光电探测器信号高于斜坡信号时，在随后的测量周期中，较小的值将被较大的值覆盖。当斜坡计数器达到最大值时，必须停止斜坡发生器。直方图中的数据准备好用于评估，并且可以通过重置计数器来起动新的测量周期。

两个直方图的评估未在图3中明确地显示，但也可以如图2中呈现。

图4显示半导体接收器模块的表面，该半导体接收器模块在大的区域中具有单光子雪崩二极管SPADA并且在小的侧区域中具有光电二极管PDC。光电二极管可以位于半导体模块的不同边缘区域，但是优选地为列或行。可替选地，在图5中示出光电二极管或雪崩光电二极管和SPAD通过PD1至PD3与SPAD1至SPAD3以列的形式交替。

图6示出根据本发明的方法的流程图。在方法步骤600中利用第一组光接收元件产生第一电信号。同时，在方法步骤601中，通过转换第二组光接收元件来生成第二电信号。在方法步骤602中，根据本发明的装置由第一电信号和第二电信号确定该装置与对象的距离。

附图标记

Li1至Li6 激光LiDAR模块

OB 对象

R 方向

V 车辆

LD 激光驱动器

L 激光器

PG 脉冲发生器

O1，O2，O3 透镜

V_SPAD 用于SPAD的偏压

V_PD 用于光电二极管的偏压

SPAD 单光子雪崩二极管

PD 光电二极管

RQ 猝灭电阻器

zPz1，2 时间相关的光子计数

A 评估

S 信号处理

TDC1至3 时间数字转换

H1，H2 直方图

RC 斜坡计数器

DA 数模转换

TIA 跨阻放大器

Comp 比较器

I 逆变器

SPADA SPAD的区域

PDC 光电二极管的列

PD1至PD3 光电二极管的列

SPAD1至SPAD3 单光子雪崩二极管的列

600至602 方法步骤

Claims (9)

1.一种用于使用光信号确定至少一个对象(OB)的距离的装置，所述装置具有：

-将所述光信号转换成第一电信号的第一组光接收元件(SPAD)，

-将所述光信号转换成第二电信号的第二组光接收元件(PD)，

-第一信号处理(zPz1)，所述第一信号处理根据用于发射所述光信号的起动信号(START)、借助于时间相关的光子计数、基于所述第一电信号来确定所述距离，

-与所述第一信号处理不同的第二信号处理(zPz2)，所述第二信号处理根据所述起动信号、基于所述第二电信号来确定所述距离，

-与所述第二组光接收元件(PD)相比，所述第一组光接收元件(SPAD)对于将所述光信号转换成电信号具有更高的灵敏度，

所述第二信号处理(zPz2)是时间相关的顺序采样，以及

所述时间相关的顺序采样将所述第二电信号与至少一个斜坡信号进行比较，并将该比较的输出信号馈送至第一时间数字转换(TDC2)并反向馈送至第二时间数字转换(TDC3)，其中，所述第一时间数字转换(TDC2)和所述第二时间数字转换(TDC3)由所述起动信号起动并且在输出侧连接至直方图(H2)，以便用直方图值(H2)填充该直方图。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二电信号是模拟的。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一组光接收元件具有单光子雪崩二极管或硅光电倍增管作为光接收元件，并且所述第二组光接收元件具有光电二极管(PD)或雪崩光电二极管作为光接收元件。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述光电二极管(PD)或所述雪崩光电二极管布置在半导体模块的边缘上，所述单光子雪崩二极管(SPAD)位于所述半导体模块上。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述光电二极管(PD)或所述雪崩光电二极管布置在所述单光子雪崩二极管(SPAD)之间，优选地以列或行分开。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一组光接收元件和所述第二组光接收元件均具有相关联的接收透镜(O1，O2)。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，提供至少一个斜坡计数器(RC)以生成所述至少一个斜坡信号，所述斜坡计数器的计数值随着每个起动信号增加，直至预定的最终值，其中，将所述计数值输出到至少一个数模转换器(DA)，所述至少一个数模转换器(DA)在输出侧连接至所述比较器(Comp)。

8.根据权利要求2至6中任一项所述的装置，其特征在于，所述至少一个斜坡信号的上升时间的倒数是所述时间相关的光子计数的脉冲的频率的整数倍。

9.一种用于使用光信号确定至少一个对象(OB)的距离的方法，所述方法具有以下方法步骤：

-通过第一组光接收元件(SPAD)将所述光信号转换成第一电信号，

-通过第二组光接收元件(PD)将所述光信号转换成第二电信号，

-根据用于发射所述光信号的起动信号、借助于时间相关的光子计数、基于所述第一电信号来确定所述距离，

-根据起动信号、借助于附加的信号处理、基于所述第二电信号来确定所述距离，所述附加的信号处理不同于所述时间相关的光子计数，

其中，

相对于所述第二组光接收元件(PD)，所述第一组光接收元件(SPAD)对于将所述光信号转换成电信号具有更高的灵敏度，

对所述距离的确定使用时间相关的顺序采样，以及

所述时间相关的顺序采样将所述第二电信号与至少一个斜坡信号进行比较，并将该比较的输出信号馈送至第一时间数字转换(TDC2)并反向馈送至第二时间数字转换(TDC3)，其中，所述第一时间数字转换(TDC2)和所述第二时间数字转换(TDC3)由所述起动信号起动并且在输出侧连接至直方图(H2)，以便用直方图值(H2)填充该直方图。