CN111699411A - 基于相位编码多脉冲传输和单比特过采样匹配滤波器检测的Lidar飞行时间和强度检测信号路径 - Google Patents

Abstract

光检测和测距（Lidar）系统包括由相位键控脉冲串模式发生器驱动的光传输部件，该相位键控脉冲串模式发生器可操作来应用相位编码键，以用于在用于传输的TX光的一系列开启/关断脉冲中激活光源。选择开启/关断序列，使得模式的自相关函数具有最大化的峰值与旁瓣比。从对象或场景反射的接收到的RX光的开启/关断脉冲被转换为与相位编码键互相关的比特流。峰值检测器找到互相关函数的峰值，并且生成指示TX光的传输与互相关函数的峰值之间的时间的飞行时间信号。

Description

基于相位编码多脉冲传输和单比特过采样匹配滤波器检测的 Lidar飞行时间和强度检测信号路径

相关申请的引用

本申请是根据于2018年1月31日提交的美国临时申请号62/624,185的发明申请提交并且要求其优先权。该临时申请的全部公开内容、包括其附属物通过引用并入本文中。

背景技术

光检测和测距（Lidar）系统的传输和接收方案具有各种类别，其范围从借助于相位或频率测量来测量距离的连续波频率或强度调制系统到其中测量传输激光脉冲的行进时间的直接飞行时间系统。最先进技术的远程汽车Lidar通常并入直接飞行时间单脉冲方案，该方案符合要求对传输激光能量的限制的激光的眼睛安全操作。

需要使得在低对象反射率（~10%至20%）下具有远程要求（>200米）的汽车Lidar系统是眼睛安全的。反射光学信号的功率按距离二次方地减少，并且按对象的反射率线性地减少，这可以容易地转变成大约90dB的动态范围。为了最大化范围，传输的激光脉冲需要具有非常大的峰值光学功率、大约几十瓦。眼睛安全操作要求平均功率维持在标准的最大容许水平，这要求将光信号的脉冲宽度减少到几纳秒。在所实现的范围方面，这提供了最佳的性能，但是对于Lidar硬件实现强加了对成本和复杂性有贡献的系统挑战。激光光源的驱动器需要在非常短的时间内以快速切换时间向激光器递送大量的功率，这通常要求诸如使用氮化镓技术的部件之类的特殊的高速功率半导体部件的开发。此外，用于测量飞行时间（TOF）的接收链需要处理由长距离和对象反射率范围强加的大动态范围。

在当前最先进技术的情况下，提供满足汽车Lidar规范的性能一方面要求高成本的激光驱动方案——这强加成本并且潜在引入影响总体系统性能的电磁干扰（EMI），并且另一方面要求高带宽和高动态范围的检测器信号路径。这进而已经转变成高速前端跨阻抗放大器（TIA），其对于高带宽的需求以调节纳秒Lidar脉冲与噪声性能的负面折衷，使它们成为系统的噪声性能限制。图1描绘了用于当前最先进技术的汽车Lidar系统的两个典型的RX方案。单脉冲方案仅在一个脉冲中具有接收信号RX到达信息，这意味着高速（几百 MHz的采样速率），但是要求高动态范围（10~12比特）的模数转换器，以便不由于引发的量化或混叠误差而损失性能。所有上述情况大大增加了总体Lidar系统的成本和复杂性。此外，随着Lidar传感器在未来的车辆中变得更流行，用于直接TOF Lidar的单脉冲传输方案将无法处理因为一个车辆的Lidar的单脉冲不能与相邻车辆的Lidar单脉冲区分所产生的干扰问题。

发明内容

通过在更高水平上组合系统级折衷，可以平衡掉复杂性并且减少高成本的系统部件要求，从而使能实现低成本但仍具有汽车级性能的Lidar系统。本公开的Lidar系统牵涉对用于Lidar传输方案的光学设计的修改，以及信号处理和模拟混合模式集成电路设计技术。在本公开的一个方面，TX光学信号的传输码嵌入相位信息，并且以相位键控开启-关断激光脉冲的脉冲串的形式分发眼睛安全能量水平。可以选择相位键的脉冲响应，使得其自相关函数在峰值处具有最大化的转换速率（slew-rate），或者与峰值相比，相关旁瓣得到大的抑制。该方案将改进在后端处的TOF检测准确度。

在本公开的另一方面，检测信号路径（RX信号）牵涉高精度和高速模拟及混合模式集成电路设计技术，所述技术使用信号路径的低噪声、高带宽、低偏移电流域模拟前端（带通滤波器、电流放大器等）、以及过采样电流域单比特ADC、跟随有比特流域互相关器、峰值检测和TOF估计。为了确定入射光RX的强度，并行强度测量通道将光电检测器输出信号的副本应用于跟随有模数转换器的基于匹配滤波器的模拟信号路径。这引入了跟随有ADC的模拟互相关器，该ADC将模拟互相关函数的峰值数字化，该模拟互相关函数的峰值与来自目标的入射光的强度直接相关。

如图1的图解中所示，使用线性检测器（例如雪崩光电二极管（avalanche photo-diode，APD）或PIN二极管）的现有最先进技术的基于直接TOF的Lidar方案利用高功率单传输（TX）激光脉冲和接收（RX）路径中的高速低噪声互阻抗放大器（TIA）、跟随有高分辨率ADC或恒比鉴相器（constant fractional discriminator，CFD）、比较器以及时间至数字转换器（TDC）。相比之下，本文公开的Lidar系统传输多个脉冲的相位键控脉冲串。选择相位键，使得TX键脉冲响应的自相关具有尖锐的峰值——即峰值附近的大转换速率，和/或相关峰值与旁瓣之间的最大比。

与最先进技术进一步形成对比，本公开的接收路径不要求对于RX信号进行幅度检测以便确定TOF。只要包含RX信号的符号的时域序列可以与TX键模式互相关，就可以通过互相关函数的峰值检测来检测飞行时间（TOF）。这使得能够使用单比特ADC或符号比较器。常规电流Lidar的光电二极管接口前端电路（见图1）也由电流域模拟前端（AFE）替换，以便打破对传统跨阻抗放大器（TIA）固有的带宽、噪声和稳定性的折衷。然后，电流域前端使能实现非常快速的电流域比较器，其允许高过采样比，因为与在最先进技术的单脉冲Lidar系统中使用的传统多比特ADC的频率相比，这样的电流域1比特ADC可以以高得多的频率被采样。

附图说明

图1是在常规TOF Lidar系统中实现的传输和接收架构的图解。

图2是根据本公开的由Lidar系统实现的传输和接收架构的图解。

图3a-3c分别是光学信号、传输键和接收符号以及互相关的绘图。

图4包括在左列中所示的归一化时间（x轴）和幅度（y轴）中具有相等能量的归一化TX传输方案的三个示例以及在右列中所示的它们对应的自相关的绘图。

图5包括在左列中所示的单脉冲和五个示例性相位键编码的脉冲串以及在右列中所示的它们对应的自相关和转换速率的绘图。

图6是图2的接收架构的图解，其中更详细地示出了电流域模拟前端（AFE）部件。

图7是常规的基于TIA和ADC的Lidar RX信号路径的图解。

图8是根据本公开的一个实施例的用于Lidar的接收RX信号路径的电流域模拟前端（电流AFE）的图解。

图9是根据本公开的另一实施例的用于Lidar的接收RX信号路径的电流域模拟前端（电流AFE）的图解。

图10是根据本公开的一个实施例的十脉冲相位键控脉冲串Lidar系统的图解。

图11是根据本公开的一个实施例的与图8-10中的RX信号路径系统一起使用的、用于强度测量模块的匹配前端滤波器的图解。

图12是根据本公开的一个实施例的与图8-10中的RX信号路径系统一起使用的、用于强度测量模块的模拟互相关器的图解。

图13示出了在图左侧的数字FIR滤波器与在右侧的图12中所示的用于模块的模拟互相关器之间的比较。

图14是在图12中所示的强度测量模块中使用的模拟存储器移位寄存器的图解。

图15是根据本公开的一个实施例的与图8-10中的RX信号路径系统一起使用的、用于强度测量模块的另一个模拟互相关器的图解。

图16是根据本公开的一个方面的用于Lidar系统的相位键控系统的系统图解。

具体实施方式

出于促进对本公开原理的理解的目的，现在将参考附图中图示的和以下撰写说明书中描述的实施例。理解到，不意图由此对本公开范围的限制。进一步理解到，本公开包括对所图示实施例的任何变更和修改，并且包括如本公开所属领域的技术人员通常将想到的本文中公开的原理的另外应用。

根据本公开的一个方面，根据在图2的图解中描绘的一个系统，Lidar系统的信号路径以相位键控脉冲的脉冲串的形式适时分发眼睛安全的激光能量。Lidar系统10的传输部件12根据在图3a中所示的光信号TX的脉冲串模式激励光源，诸如激光器14。如在图3b中所示，由传输TX键控制信号16生成脉冲串模式，以在图3a中所示的固定调制周期产生一系列开启/关断激光脉冲，其中开启时间跟随有关断时间的持续时间的总和构成一个调制周期。TX键控制信号16因此是单比特比特流，其中二进制“1”对应于开启脉冲，并且二进制“0”对应于激光器关断。与该相位键控脉冲串相关联的脉冲响应具有类似于单脉冲响应的尖锐自相关函数（峰值附近的高转换速率和/或高峰值与旁瓣比），如在图4的绘图中所示。在图4中，在左列中示出了在归一化时间（x轴）和幅度（y轴）中具有相等能量的三个归一化TX方案，并且在右列中示出了它们对应的自相关。顶行（示例A）是提供最大可能的自相关转换速率的单脉冲。中间行（示例B）是幅度减少的宽脉冲（是顶行13倍宽，但峰值幅度是1/13之小）。这提供了以相同的缩放因子而降级的自相关转换速率。底行（示例C）是使用巴克13码的相位键控脉冲列，诸如针对本公开的Lidar考虑的一种类型的相位键控脉冲列。自相关转换速率保持在接近单脉冲方案的值（在归一化方案中为10相对于13），而脉冲串的峰值时域幅度是1/13之低。

与单脉冲方案相比，本文中公开的相位编码保持了自相关转换速率，从而在系统后端处重获TOF准确度性能。一个益处是，代替于单个高功率和窄脉冲（如在图4的示例A中），传输较低功率的相位键控脉冲的脉冲串（如在示例C中），从而出于眼睛安全的考虑而维持安全的TX能量。减少的激光峰值功率也有益于简化激光驱动器电路。例如，代替于驱动100W峰值功率激光器，本公开的Lidar可以驱动小于10W的激光器14来生成TX光学信号。这减少了系统成本和复杂性以及电磁干扰（EMI）的机会。

通过Lidar的TX激光器14传输相位编码脉冲串使能实现特定接收路径（RX）信号链的益处。由于传输的信息在相位域中，因此RX路径不再要求幅度信息以便使接收到的Lidar信号与传输脉冲串键互相关。在不需要幅度的情况下（因为相关是利用归一化幅度TX键控制信号16完成的），接收器20的接收路径可以并入符号检测器，该符号检测器以固定的时间间隔检测RX信号的符号。如在图2中所示，接收器20可以并入常规的光电检测器22（诸如光电二极管），其中光电检测器的输出通过电流域模拟前端AFE 24提供给符号比较器26。

比较器26随时间的输出可以与归一化的TX键控制信号16互相关28，以通过在峰值检测器30处检测互相关函数输出的峰值来确定飞行时间（TOF）。在图示的RX系统中，符号比较器可以是单比特比较器，其简化了用于TOF检测的系统。相比之下，利用单脉冲工作的最先进技术系统要求幅度信息来实现对于汽车Lidar所要求的TOF准确度（ADC所要求的>10至12比特）。如在图2中所示，本公开的相位键控传输消除了最先进技术系统的高动态范围ADC，并且利用符号比较器替换它。

在图2-3中示出的示例性实施例中，在接收器20处接收传输信号TX，其具有延迟了飞行时间（TOF）的波形，如在图3a中描绘的。比较器26接收波形，并且产生在接收到RX信号时为二进制“1”并且在没有接收到RX信号时为“0”的比特流输出，如在图3b中所示。该输出和TX键控制信号16被提供给单比特互相关电路28，以产生在图3c中示出的互相关输出信号。正是该信号被峰值检测器电路30评估，以找到在图3c中标识的互相关峰值。从TX光传输到互相关峰值的时间对应于TOF，并且正是该时间值由接收器电路20输出到Lidar处理器、3D图像处理器或其他合适的设备。

相位键控码的组合不限于巴克码，而是可以包括改进自相关函数的转换速率的任何相位键控组合。在TX脉冲串中包括的脉冲越多，满足对于最大峰值转换速率的自相关要求的可能码组合就越多。图5中的表示出了左列中的五脉冲脉冲串TX信号的示例，其包括巴克5码和除巴克码以外的四个码，以及图5右列中它们在峰值附近的对应自相关转换速率，并且为了比较，其与相等能量归一化单脉冲和巴克序列的相等脉冲数量脉冲串的比较已经在图5中示出。如在绘图中反映的，在所公开的实施例的固定TX能量制度中，具有5个单位幅度和1个单位脉冲宽度的归一化脉冲宽度单脉冲TX具有为5的相关转换速率。在具有巴克5码和四个其他样本码的其他示例中，峰值附近的相关函数的转换速率都非常接近单脉冲情况，即接近为4的值。已经在数学上示出，在峰值附近保持相关函数的转换速率的所有码组合将提供与使用单脉冲的系统的TOF准确度非常相当的TOF准确度，但针对5次平均而处于1/5之低的峰值幅度。

对于图5中图示的五脉冲情况，存在履行所期望的相关转换速率组合的相位键的多于10个组合。随着脉冲串中脉冲数量越大，组合的数量可以增加。因此，根据本公开的另外的方面，汽车Lidar可以在TX-RX操作期间在这样的预先选择的、高转换速率自相关码池之间随机切换，以最小化在相邻车辆Lidar之间的干扰风险，而同时仍然受益于本文中公开的Lidar信号路径方案的系统级和性能益处。Lidar系统甚至可以在履行相关函数转换速率最大化的具有不同数量的脉冲和不同相位键的脉冲串的可能组合之间随机切换，从而增加可能的相位键控码池。

在本文中公开的Lidar系统的另外的方面，利用电流域模拟前端24替换现有的最先进技术的RX信号链，如在图2中所示。电流AFE 24可以提供速度和低噪声性能二者，从而避免传统跨阻抗放大器（图1）的固定增益带宽积折衷，其中更高的带宽与检测器的并联寄生电容相组合要求更小的反馈电阻，其进而引起更多的输入参考电流噪声。此外，相位键控信息可以借助于单比特模数转换器（ADC）25来提取（如在图6中所反映的），这与现有系统形成对比，在现有系统中，信息处在由Lidar传输的单脉冲的幅度中。与在现有Lidar系统中必须使用的传统多比特（10–12比特）ADC（以几百MHz采样）相比，为了改进系统的分辨率，单比特ADC 25更简单、不太贵并且更容易过采样（为几GHz的采样速率）。

如在图6中所示，本公开的RX信号路径实现了多脉冲脉冲串相位键控Lidar方案，并且包括电流域模拟前端、跟随有单比特ADC（通过符号检测来执行相位检测）和信号路径的各种部件（诸如雪崩光电二极管（APD）、符号检测器和比特流域中的互相关器）。相比之下，使用线性检测器（例如，APD）的最先进技术的单脉冲直接TOF Lidar系统利用跨阻抗放大器（TIA）以及高动态范围和高速ADC，如在图7中所示。这经常牵涉在非常低的输入参考电压噪声（几

）下具有多GHz的单位增益带宽的放大器，外加具有噪声和带宽性能与前端TIA的噪声和带宽性能接近的附加第二级放大器、以及具有大约~500MHz采样速率的10–12比特ADC。在系统前端处的基本折衷要求为特定的现有技术Lidar系统保证前端TIA的带宽和稳定性，该带宽和稳定性由单脉冲的脉冲宽度（确定带宽）和检测器的（和其他部件的）寄生并联电容器确定。对于现有技术的器件，这导致为TIA选择小的反馈电阻（典型大约1

至4

，这可导致大约20至10

的大输入参考电流噪声密度），或者使TIA成为信号路径中的主导噪声源（给定这些系统的宽带宽（> 250MHz）和小的（< 0.5uA）检测器信号，用于例如200m处的汽车距离目标）。

本公开的RX信号路径利用电流域前端、即电流输入和电流输出前端来替换目前最先进技术的Lidar系统的TIA前端，如在图8和图9中所示的示例性系统所表示的。对于长距离反射（即200m处的目标），接收信号RX典型地埋藏在噪声之下。DC偏移典型地由在检测器电路中引起DC电流的背光所引发。在信号被提供给单比特数据转换器25之前，该DC电流或噪声应该被抑制。DC电流主要由环境光引起，并且可以通过将前端设计为具有带通频率响应来抑制该DC电流，从而适应相位键控传输脉冲串的频率内容（带通区域以TX脉冲串调制频率为中心）。因此，在图8的实施例中，前端24’实质上是基于开环电流镜的放大器。前端24’通过低输入阻抗电流缓冲器41接收来自光电检测器22的输出，其中缓冲器的输出被馈送到低通滤波器42，该低通滤波器42可操作来隔离光电检测器输出信号的DC分量。该DC分量在减法模块43中从电流缓冲器41的输出中被减去，并且该调节信号被馈送到电流镜44，使得来自减法模块的输出电流可以被馈送到TOF测量通道和强度测量通道二者，该强度测量通道测量由光电检测器产生的、作为反射光的函数的电荷。因此，如上面讨论的，来自AFE24’的电流被供给到ADC 25，并且被供给到用于测量电流量值的模块45，该电流量值指示反射光的强度。如上所述，TOF和反射光强度信号可以被供给到Lidar或3D相机部件。

在图9的实施例中，修改的前端24”实质上是基于分流反馈电流镜的放大器。前端24”从光电检测器22接收输出，在减法模块51中，从传入电流信号中减去通过高通滤波器52的反馈电流。来自减法模块的输出通过由一对电流镜54a、54b驱动的浮动输出级53。可以由模块55应用调节的DC偏置。来自电流镜的电流被供给到ADC 25和测量部件45，以产生供给到Lidar或3D相机的TOF和强度信号，如在图8的实施例中那样。

本文中公开的由TX和RX电路实现的相位键控TX和RX方案利用相位检测器或符号比较器26（图2）来确定RX信号的符号，以便与TX信号的归一化相位键控制信号16互相关。符号比较器原则上是单比特ADC或比较器。本文中公开的电流域模拟前端使得能够使用电流域比较器，该电流域比较器是接收电流而不是电压作为输入信号并且根据输入电流符号产生逻辑高或逻辑低的决策电路。可以使电流域比较器比电压域配对物固有地更快，并且因此可以以比最先进技术的多比特（10至12比特）ADC的采样速率更高的速率进行过采样。例如，具有10ns单脉冲TX并以400MS/s采样的最先进技术的系统具有每脉冲仅4样本，而并入单比特电流域ADC的所提出的电流域RX信号路径可以例如以4GS/s进行采样。

作为示例，对于在100MHz调制频率的十脉冲相位键控脉冲串，根据本公开的一个实施例的图10中所示的系统可以具有过采样比（OSR）=采样速率/（2x信号带宽BW）~4GHz/（2*（100MHz/10））=200，而最先进技术的单脉冲系统具有400MHz/（2 *（1/10ns））=2的过采样比。通过单比特ADC和噪声带宽限制使能实现由更高采样速率实现的该过采样，该噪声带宽限制由通过信号路径后端中的互相关操作而应用于ADC输出的相位编码键的匹配脉冲响应进行。当在TX脉冲串中使用适当的相位编码时，这使得在眼睛安全的激光TX脉冲串情况下能够以20%的最小反射率实现直至200m的距离。

单比特操作的另外的益处是在比特流域中实现互相关方案，如在图10中所图示。根据本公开的一个特征，常规互相关器的“乘法+积分”函数中的乘法函数可以利用简单的XOR逻辑门31替换，该XOR逻辑门31的输出然后被应用于实现积分函数的加法器32。这极大地简化了在电流域单比特前端的高过采样比下操作的数字后端硬件，因为数字乘法器比加法器实现起来更昂贵。XOR逻辑门31接收在一个寄存器中的TX相位键控制信号16，并且接收从符号比较器26去往移位寄存器中的比特流27。由PLL模块33生成的时钟信号f_s控制符号比较器、激光驱动控制器12、XOR逻辑门31和加法器32的定时。如在图10中所示，电流域前端24”’可以从图8中的前端24’修改为并入带通滤波器60和电流镜61。

如在图10的图解中所表明，本文中公开的系统架构利用了在Lidar收发器信号链中嵌入信号处理的技术。测距信号路径依赖于TOF测量来测量到目标的距离。反射光强度是另一个感兴趣的测量，其可以由处理Lidar传感器数据的总体系统用来对目标对象进行分类。对象的反射率可以从反射光强度和TOF信息中提取。因此，专用于反射光强度测量的信号路径可以与TOF信号路径并行工作。如在图8-10中所示，通过使用电流镜44、54a、54b、61复制相同检测器的信号电流，使能实现与TOF一起的强度的同时测量。在图8-10的每个系统中，由模拟电流域前端24’、24”、24”’做出的信号副本被馈送到如由测量模块45表示的强度测量信号路径。该信号链产生与从目标反射回来的激光的强度成比例的数字。

如在图11和12中所示，本公开设想了用于强度信号路径的测量模块45的两个架构。两个架构均考虑了传输相位键控TX脉冲串的脉冲响应、并且对到达信号应用模拟匹配滤波器以及应用模数转换使强度信息数字化。匹配滤波器前端帮助从噪声中提取信号，尤其是当反射接收信号被埋藏在噪声之下时进行长距离测量。一个挑战是将RX信号路径的动态范围保持在~90dB。动态范围是距离（~5000x）&反射率（~10x）的函数。应对该挑战要求低成本且实现起来简单的ADC，其具有BW = 数10 MHz以及DR = 90dB。后者相对具有挑战性且实现起来成本高。为了应对该挑战，本文中公开的用于测量模块45的两个架构依赖于知道已经被传输的相位键码，并且依赖于模拟前端，该模拟前端具有嵌入其中的匹配滤波函数，以提取RX信号的量值。这导致针对ADC的更宽松规范。

在图11中所示的架构体现了对于长距离（>150m）不太稳健的更加硬件高效的解决方案。在图12中所示的第二架构是稍微不太硬件高效的解决方案，其提供了可以操作到200m以及超过200m的距离的更稳健的信号路径。

在图11中所示的用于测量模块45的架构设想渐进放大信号路径。信号动态范围的~ x5000因子是由于距离。模块45作为时间的函数缩放信号路径的增益，以将潜在的到达反射映射到针对反射率范围（例如，在反射率从10%改变到100%时，x10）优化的较低动态范围ADC的动态范围（40到45dB，相比于85-90dB）。从TX激光脉冲串发射的时刻起，放大作为时间的函数而渐进。到达检测路径监视信号是否已经到达。只要信号尚未到达信号路径的正向增益（前端电流镜增益、ADC的参考电压等），就在对应于给定预定距离点的给定时间点增加。这些距离可以间隔开，以适应作为距离函数的反射光学信号幅度的对数缩放（随着距离平方的倒数缩放）。动态范围的对数性质允许仅采用存储在查找表中的几个点（例如仅4到5个点），该查找表存储与给定距离点相关联的给定时间周期的增益设置。

测量模块45并入了矩形脉冲响应模拟滤波器46和ADC 47（图10）。矩形脉冲响应（也称为SINC滤波器）可以被实现为嵌入在信号路径中的微分器71和积分器74的级联，这增加了模块对于针对长距离提取强度信号的选择性，在长距离的情况下，RX信号埋藏在噪声之下。模拟微分器71产生在时间上被矩形滤波器脉冲响应的时域宽度分离的输入信号样本之间的差。将滤波器的宽度匹配到TX脉冲脉冲串的宽度——即脉冲数量（如在图11中所示的NTX）乘以调制周期。渐进放大可以以时间渐进的方式应用于微分器增益和积分器增益，以及应用到ADC增益，如下面讨论的。

在滤波器46中，积分器74的输出将对于近距离Lidar信号进行限幅（clip），该近距离Lidar信号是远距离Lidar信号的1000-2000倍之大（图11）。如果系统针对近距离信号进行缩放，则远距离信号将由于噪声而不可检测。为了解决该问题，滤波器46被构造成使得ADC 73被放置在模拟微分器71与被配置成数字积分器的数字积分器74之间。ADC 73将微分器71的输出数字化，微分器71可以被设计成不限幅，并且数字积分器74被配置为（通过允许足够的字长）不限幅。结果是混合模拟/数字匹配滤波器前端46，其具有嵌入其中的数字化，以使反射信号的强度数字化，同时其增益放大，直到反射到达，因此，其仍然可以利用低动态范围（和不太复杂）的ADC。混合前端46因此消除了对于ADC 47的需要，因为ADC嵌入在前端电路内。

微分器71可以是在与TX时钟的调制频率同步的采样与保持频率下操作的开关电容器电路。例如，在10脉冲TX脉冲串和调制频率为100MHz的情况下，使用10+1个电容器，其中每个电容器每1/100MHz秒（10ns）充电一次。一个电容器在每个时钟相位持续充电和复位。其他十个电容器用作存储器，即依次被充电并且其电荷被维持直到在十个时钟相位后被使用。在任何给定时刻，当前充电的电容器与十个时钟周期前被充电的电容器之间的电荷差被减去，如在图11中的离散时间z域转移函数所指示，即：1-Z^-NTX，其中NTX是TX脉冲的数量，并且离散时间采样频率等于TX调制频率。微分器的输出被传递到ADC 73，ADC 73可以是跟随有SINC低通滤波器73b（LPF）的西格玛德尔塔（sigma delta）调制器73a，以移除该输出的高频上调制量化噪声，尽管设想了履行采样速率、动态范围和分辨率要求的任何其它ADC。通过

离散时间z域转移函数在数字域中实现矩形滤波器的积分器74。查找表75在四个或五个点处（例如，在对应于2m、5m、20m、50m、100m距离的时间实例处）缩放当前的前端增益75a和/或微分器增益75b和/或ADC参考75c。查找表由计数器驱动，该计数器以TX脉冲串的调制频率（f_MOD）运行并且从当激光TX脉冲串发射时的零初始条件起始。

滤波器46在计数器77处接收起始TX脉冲串，计数器77开始针对查找表75的定时序列。前端滤波器46可以并入如在图11中所示的冻结部件78，其具有确定反射已经到达的功能，以冻结由查找表75执行的渐进放大功能。如果目标到Lidar的距离使得接收脉冲串信号的部分出现在由查找表管控的渐进缩放时刻之前并且其部分出现在该时刻之后（这将使信号路径饱和），则该冻结阻止强度测量通道饱和。这是通过冻结发起查找表75的操作的计数器77来完成的。到达检测路径是全模拟矩形滤波器，其具有微分器79a（微分器79a是与上述相同类型的开关电容器微分器）、跟随有具有增益的模拟积分器79b（开关电容器）、跟随有比较器79c，该比较器79c具有加到对积分器输出进行滤波的低通滤波79d信号的设置阈值（这形成了针对比较器的高通频率响应，以拒绝在积分器79b的输出处的累积的低频噪声）。当积分器输出（矩形滤波器输出）增长超过噪声基底时，比较器79c触发。由于大信号所致的该积分器限幅不是问题，因为其功能是用于检测信号的到达。比较器参考点使得其保证针对大距离（小幅度）信号的触发，这可以通过基于在前端匹配滤波器的输出处的预期噪声而设置阈值水平和高通转角频率（comer frequency）来被实现。当比较器79c触发时，计数器77被冻结，从而创建渐进放大功能。

在图12中所示的强度测量通道不如在图11中的前端架构中那样使用矩形脉冲响应匹配滤波器。代替地，图12的前端46’实现了一种方案，其中在Lidar的TX脉冲串中使用的精确相位键控脉冲响应以模拟互相关器的方式应用于模拟RX信号。在考虑将数字数据流发送到与时钟同步的数字移位寄存器的数字FIR滤波器时，可以理解该区别。在时钟的每个滴答声（tick），数据通过移位寄存器以移位寄存器的一个抽头（tap）被移位。在每个时钟相位，移位寄存器值被乘以FIR脉冲响应权重，其输出被求和以形成FIR滤波器输出，如在图13中的左图解中所描绘。前端46’设想了模拟互相关器，其并入模拟移位寄存器80，该模拟移位寄存器80的抽头由模拟存储器实现，如在图13的右侧中所示。在以两倍于TX脉冲串调制频率下运行的时钟的滴答声，新的模拟信号值进入模拟移位寄存器80，并且该寄存器的内容以移位寄存器的一个抽头而通过存储器元件81₁-81₄。在知道TX激光器开启（即产生光）的半调制周期指数的情况下，在时钟的每个滴答声，可以使用求和放大器82在模拟移位寄存器的模拟存储器元件81₁-81₄处对信号求和，该模拟存储器元件81₁-81₄对应于假定有光的时钟相位。该总和对应于模拟域中互相关函数的输出。当返回RX信号与TX键完全对齐时，求和放大器输出将为峰值。图13中的示例示出了针对在第一和第四个半调制周期中存在光、并且在第二和第三个半调制周期内为暗的TX脉冲串的简化情况。求和放大器在元件81a和81d处将模拟存储器输出相加。对于图示的情况，求和放大器82的输出在图示的时间戳t4处通过寄存器将模拟信息移位四次之后达到峰值。

每个模拟存储器元件81₁-81₄可以是电容器，其利用光电检测器22（图12）的输出电流在等于半调制频率的时间周期内被充电。求和放大器82然后产生对应于模拟存储器位置的输出值（电容器充电值），该模拟存储器位置对应于期望光的TX相位。一个潜在的危害是，将电荷从一个电容器转移到相邻的存储器电容器以实现模拟移位寄存器可能由于噪声（电容器以KT/C噪声的形式捕获的开关噪声）以及其他误差（诸如开关电荷注入、泄漏和时钟馈通）而使电荷信号降级。为了避免这些潜在的问题，本文中公开的系统实现了模拟存储器移位寄存器85，其包括用于形成桶式移位器多路复用器选择器87的输入（如在图14中所示），该桶式移位器多路复用器选择器87选择哪个模拟存储器元件86₁-86₅应该在任何离散采样时刻由光电检测器22的输入电流充电（其具有以TX脉冲串的半调制周期的速率的采样频率）。在存储器元件86₁-86₅的输出处提供第二桶式移位器选择器88，其在旋转的基础上选择多个存储器元件，所述多个存储器元件的电荷实例应该对应于预期光的TX脉冲串脉冲响应的相位实例。该种类的选择器在输入和输出处表现为桶式移位器，其中，代替于像数字FIR滤波器的移位寄存器（图13）那样对存储器元件中的模拟信号进行移位，将指针移位到正查看在每个时间实例处需要被充电的存储器元件以及其值应该对求和有贡献的存储器元件，如在图14中所描绘的。利用输入信号的连续相位来填满存储器体，并且它一旦被填满，则最旧的存储器元件变得可利用新的模拟输入信号填满，并且桶式移位器在存储器体周围继续，以利用输入信号来刷新存储器元件。需要与TX脉冲串键中的半相位数量相比的一个额外的存储器元件，使得当刷新一个存储器的任何时刻，TX键的全部数量的相位可以存储在剩余的存储器元件中。

第二桶式移位器选择器88将适当的存储器元件输出连接到求和放大器89。图14中的模拟存储器移位寄存器85在任何时间都在查看TX键的两个半周期相位。给定存储器刷新的旋转性质，输出选择器还在每个时钟周期更新其指针，以始终查看两个存储器元件，所述两个存储器元件的值对应于历史中正确地对应于TX键的期望相位的实例。

在图12中所示的前端46’进一步设想基于模拟相关器的强度通道，其具有更接近于实现的信号链。作为示例，十三脉冲码TX需要1+2×13 = 27个电容器作为以图14所示的桶式移位器多路复用器选择器移位寄存器85的形式的存储器元件86_1-n。前端46’的开关电容器电路通过经由对前端电容器充电来采样电流镜输出电流，从而对半周期的TX调制进行积分。相等数量的采样与保持缓冲放大器90_1-n针对连续的电荷求和操作维持存储器电容器电荷。第二桶式移位多路复用器开关网络88将适当的输入存储器（采样与保持放大器90_1-n）的输出连接到电荷求和放大器89。然后电荷求和放大器89跟随有峰值检测器92，峰值检测器92保持互相关器峰值的模拟值，该模拟值然后被ADC 93数字化。ADC 93将峰值检测器92的DC输出数字化，因此在分辨率、转换时间和操作带宽方面放松了对于ADC的设计要求。

前端46’可以具有两个平行路径A和B，所述两个平行路径A和B的输入范围按对数缩放。一个路径A可以设置用于来自从2m至20m定位的目标的反射信号RX，并且另一个路径B用于从20m至200m定位的目标。在每次转换，两个路径同时操作。取决于距离（其可以然后根据来自TOF测量通道的TOF信息来被确定），一个通道可能饱和（信号太大），或者可能无法解析强度（信号太小）。

作为对上述前端46’的替代，在图15中所示的前端46”通过经由多路复用器95而对在路径A、B中的开关电容器峰值检测器的输出进行多路复用，来仅使用一个ADC转换器96。多路复用器95从TOF通道97（见图8-10）接收飞行时间（TOF）信号，并且被配置为基于TOF通道的输出来选择对哪个模拟信号（路径A或路径B）进行数字化。

本文中公开的相位键控TX脉冲串Lidar信号路径可以容易地集成到ASIC中，其并入了TOF和强度通道。如在图16中所示，Lidar系统100可以包括激光驱动器模块102，该激光驱动器模块102包括相位键控TX脉冲串发生器12，该相位键控TX脉冲串发生器12如上所述可操作来驱动光源或激光器104以提供脉冲传输的光信号TX。系统100进一步包括在ASIC115上提供的接收光信号RX电路。反射光RX被多个光电检测器110的阵列接收，光电检测器110可以是雪崩光电二极管或PIN二极管，每个生成输出电流112，该输出电流112被供给到ASIC 115的RX电路。在图示的实施例中，阵列中提供了十六个这样的光电二极管。该ASIC包括上述飞行时间路径电路和强度测量电路，其中前端24、24’、24”的电流镜向ADC 25和单比特互相关器28、30提供光电二极管电流，以用于生成TOF信号，并且向测量电路45、45’、46、46’提供光电二极管电流，以用于生成强度信号。TOF和强度信号通过数字控制和接口119从ASIC输出到数字信号处理器或其它合适的接口120，以供Lidar系统使用。领会到，ASIC 115填充有对应于光电二极管数量——在图示的示例中为十六——的多个通道。

数字控制和接口119还被配置为控制激光器104的相位键控脉冲串。接口119的数字控制方面应用被发送到驱动模块102以及到ASIC 115的RX电路的相位编码。接口还可以被配置为从码选择中随机选择相位编码，以最小化对其他Lidar系统的干扰的风险。

本公开提供了一种具有传输光信号TX架构的Lidar系统，其为激光TX提供多脉冲、相位键控脉冲串，其中选择相位编码以最大化与接收光信号RX的自相关的转换速率。在具体示例中，编码是巴克码或其他类似的码，其通过创建与峰值相比的自相关旁瓣的抑制来改进转换速率。这种对相位键控脉冲串的使用允许TX激光峰值功率的减少，其通过利用可用的眼睛安全能量水平而显著减少Lidar系统的复杂性，这于是导致系统成本方面的减少。本文中公开的TX架构还通过在每次Lidar执行TX和RX操作以测量TOF和强度时从相位键池中随机选择TX相位键来避免或最小化对其他车辆的Lidar的干扰，所有的相位键都具有优化的自相关转换速率。

本公开还提供了一种具有接收光信号RX架构的Lidar系统，其使用电流域模拟前端而不是传统的跨阻放大器（TIA）。该特征允许使用电流镜来复制来自光电检测器的信号，以用于平行强度测量。将相位键控TX脉冲串用于基于互相关的TOF测量，将系统从针对现有技术Lidar系统所要求的TOF的幅度测量中解放出来。在一个方面，比特流域互相关使用XOR门作为乘法器。本公开的RX架构设想用于测量TOF和强度的平行路径。在一个方案中，渐进放大路径被提供有嵌入在跟随的开关电容器微分器与数字积分器之间的ADC，从而形成其宽度与TX脉冲串长度匹配的混合（模拟/数字）矩形脉冲响应滤波器。放大适时发生，因为信号幅度是距离（TOF）的函数，使得可以与较低分辨率的ADC之前的增益一起使用该较低分辨率的ADC，该增益放大直到反射到达。在另一个方案中，提供了在距离上按对数间隔的两个平行路径，诸如一个路径从2到20m，并且另一个路径从20m到200m。该方案中的前端是模拟互相关器，其使通过用作存储器的一组前端电容器的相位键控TX脉冲响应（互相关中的延迟和乘法）与桶式移位采样与保持以及电荷求和（互相关中的求和）互相关。电荷求和放大器的输出跟随有峰值检测器，该峰值检测器检测互相关函数的模拟量值，该模拟量值然后是将由简单的ADC进行数字化的DC值。在一个变型中，在两个按对数间隔的信号路径之间共享单个ADC，其中使用TOF信息来选择哪个模拟路径的峰值检测器输出应该被数字化。峰值检测器之后的简单比较器可以检测模拟互相关函数的峰值，当与简单计数器组合时，该模拟互相关函数可以用作对基于精确单比特互相关的TOF通道的冗余，以便减少错误检测的概率。

一般而言，本公开提供了用于直接飞行时间（TOF）汽车Lidar系统的系统和方法，该系统和方法使用线性检测器，诸如雪崩光电二极管（APD）、PIN二极管或硅光电倍增器。多脉冲的相位编码激光脉冲串是传输信号，其不同于在最先进技术系统中使用的单脉冲传输。然后，接收路径并入过采样的单比特模数转换器（ADC），该单比特模数转换器（ADC）嵌入在电流域模拟前端（AFE）中，该电流域模拟前端（AFE）然后跟随有互相关函数。这将Lidar接收信号RX的比特流表示与来自TX路径的传输相位键相互关联，以便通过互相关峰值检测来确定TOF。提供了并行信号路径，其可以执行TOF、反射激光的强度的同时测量。

本文中公开的系统和方法的一个益处是它们使能实现满足预期性能要求的较低成本和不太复杂的汽车Lidar系统。然而，相同的方法可以应用于针对工业或消费应用（自主机器人、具有对象回避或自主运动需要的工业机器、内部监视、用于消费产品的3D成像等）而言良好的Lidar系统的其他性能水平。

本公开应该被认为在特性方面是说明性的，而不是限制性的。理解到，已经呈现了仅某些实施例，并且落入本公开的精神内的所有改变、修改和另外的应用都期望受到保护。

Claims (15)

1.一种光检测和测距（Lidar）系统，包括：

光传输部件，其用于将TX光传输到对象或场景，光传输部件包括：

光源；

用于激活光源的驱动器；和

相位键控脉冲串模式发生器，其耦合到所述驱动器，并且可操作以将相位编码键应用于驱动器，以用于在一系列开启/关断脉冲中激活光源；以及

光接收部件，其用于接收从对象或场景反射的RX光的开启/关断脉冲，光接收部件包括：

光检测器，其可操作以响应于检测到RX光而生成信号；

与所述光检测器相关联的飞行时间电路，其包括：

比较器，其接收来自所述光检测器的信号，并且被配置为生成对应于RX光的开启/关断脉冲的比特流；

互相关器，其接收相位编码键和来自比较器的信号，并且可操作来确定相位编码键与来自比较器的信号之间的互相关，并且提供指示互相关函数的输出信号；

峰值检测器，其接收来自互相关器的输出信号，并且可操作来确定互相关函数的峰值，并且生成指示TX光的传输与互相关函数的峰值之间的时间的飞行时间信号。

2.根据权利要求1所述的Lidar系统，其中，所述相位编码键选自在峰值附近具有高自相关峰值与旁瓣比或者转换速率的码。

3.根据权利要求1所述的Lidar系统，其中，所述相位键控脉冲串模式发生器可操作来从用于所述相位编码键的多个码中进行选择。

4.根据权利要求3所述的Lidar系统，其中所述相位键控脉冲串模式发生器可操作来从用于所述相位编码键的所述多个码中进行随机选择。

5.根据权利要求1所述的Lidar系统，进一步包括：

光检测器，其被配置为响应于检测到RX光而生成电流信号；

电流域模拟前端（AFE），其接收来自所述光检测器的电流信号，AFE包括具有两个输出的电流镜，所述输出中的一个连接到所述比较器，以将来自所述光检测器的信号提供给比较器；和

测量电路，其连接到所述AFE的两个输出中的另一个，所述测量电路被配置为测量来自所述光检测器的电流信号的量值，并且可操作来提供指示由所述光检测器接收的RX光的强度的输出信号。

6.根据权利要求5所述的Lidar系统，其中，所述AFE进一步包括在所述光检测器与所述电流镜之间的滤波器。

7.根据权利要求6所述的Lidar系统，其中，所述滤波器被配置为阻止DC电流通过所述电流镜。

8.根据权利要求5所述的Lidar系统，其中，所述测量电路包括：

模拟微分器，其从所述光检测器接收所述电流信号；

模数转换器（ADC），其将所述微分器的模拟输出转换为数字信号；和

数字积分器，其接收所述数字信号。

9.根据权利要求8所述的Lidar系统，其中：

所述光源的所述一系列开启/关断脉冲限定预定数量的脉冲的序列；并且

所述模拟微分器包括多个开关电容器，所述多个开关电容器以采样与保持频率依次对所述电流信号操作，所述多个开关电容器编号为比脉冲的所述数量多一个。

10.根据权利要求8所述的Lidar系统，其中，所述ADC包括西格玛-德尔塔调制器和低通滤波器。

11.根据权利要求5所述的Lidar系统，其中，所述测量电路包括：

模拟移位寄存器，其从所述光检测器接收电流信号；

求和放大器，其接收来自所述模拟移位寄存器的输出；

峰值检测器，其可操作来检测来自所述求和放大器的输出的峰值；和

模数转换器，其提供指示由所述光检测器接收的RX光的强度的所述输出信号。

12.根据权利要求11所述的Lidar系统，其中：

所述光源的所述一系列开启/关断脉冲限定预定数量的脉冲的序列；并且

所述模拟移位寄存器包括多个开关电容器和类似的多个采样与保持缓冲放大器，所述多个开关电容器和类似的多个采样与保持缓冲放大器编号为比脉冲的所述预定数量的两倍多一个。

13.根据权利要求12所述的Lidar系统，其中，所述模拟移位寄存器包括桶式移位多路复用器选择器，其可操作以在所述多个开关电容器之中选择将由来自所述光检测器的所述电流信号充电的开关电容器。

14.根据权利要求1所述的Lidar系统，其中，所述光检测器是雪崩光电二极管或PIN二极管。

15.根据权利要求1所述的Lidar系统，其中：

所述光检测器包括多个光电检测器；并且

所述多个光电检测器中的每一个具有相关联的飞行时间电路。

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