CN113552556A - 用于激光雷达的光电探测模块、激光雷达和环境光检测方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于激光雷达的光电探测模块、激光雷达和环境光检测方法。用于激光雷达的光电探测模块包括光电探测单元、信号调理单元和数据处理单元；光电探测单元的输出端与信号调理单元的输入端连接，信号调理单元的输出端与数据处理单元的输入端连接；光电探测单元用于感应入射到其上的光信号，并将感应到的光信号转换为电信号；信号调理单元包括环境光检测子单元，环境光检测子单元用于检测电信号中的直流信号，并对直流信号进行量化；数据处理单元用于对所接收到的量化后的直流信号进行分析处理。可以通过检测的直流信号的大小推测出激光雷达所处环境光的亮度，以便对激光雷达的相应参数进行调节。

Description

用于激光雷达的光电探测模块、激光雷达和环境光检测方法

技术领域

本申请涉及激光探测领域，尤其涉及用于激光雷达的光电探测模块、激光雷达和环境光检测方法。

背景技术

激光雷达通常用于探测外界障碍物的信息，例如障碍物距离激光雷达的距离，障碍物的形状等。

激光雷达包括发射模块和接收模块，接收模块包括光电探测模块。光电探测模块通常接收发射模块所发射的探测激光碰到障碍物后的回波激光信号。

据发明人所知，现有方案在电压变化的条件下很难精确检测出流出如APD、SPAD及SiPM等光电探测单元的微弱直流信号。因此，亟待解决的解决问题的有，如何可以检测微弱直流信号，以及如何补偿电压变化带来的电流检测误差。

发明内容

提供该申请内容部分以便以简要的形式介绍构思，这些构思将在后面的具体实施方式部分被详细描述。该申请内容部分并不旨在标识要求保护的技术方案的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求的保护的技术方案的范围。

第一方面，本申请提供了一种用于激光雷达的光电探测模块，包括：光电探测单元、信号调理单元和数据处理单元；所述光电探测单元的输出端与信号调理单元的输入端连接，所述信号调理单元的输出端与所述数据处理单元的输入端连接；所述光电探测单元用于感应入射到其上的光信号，并将感应到的所述光信号转换为电信号，其中入射到其上的光信号包括环境光信号和激光束照射到被测物体后被反射产生的回波激光信号；所述信号调理单元包括环境光检测子单元，所述环境光检测子单元用于检测所述电信号中的直流信号，并对所述直流信号进行量化；其中所述直流信号包括光电探测单元感应环境光信号生成的直流信号；所述数据处理单元用于对所接收到的量化后的交流信号和量化后的直流信号进行分析处理，根据环境光检测的结果对光电探测器单元进行调整。

第二方面，本申请实施例提供了一种激光雷达，所述激光雷达包括第一方面所述的用于激光雷达的光电探测模块。

第三方面，本申请实施例提供了一种环境光检测方法，用于第一方面所述的用于激光雷达的光电探测模块；所述方法包括：获取随在同一时钟信号控制下单调上升的参考电压信号与单调递增计数的计数信号；将所述参考电压信号与电流电压转换模块输出的实测电压信号进行比较；其中，所述电流电压转换模块用于将光电检测模块由检测到的环境光生成的直流电流信号转换成实测电压信号；在所述参考电压信号升至与所述实测电压信号相同的时刻，将该时刻的计数信号对应的计数值确定为目标计数值；根据所述目标计数值确定激光雷达的环境光的强度。

本申请实施例提供的用于激光雷达的光电探测模块、激光雷达和环境光检测方法，通过在光电探测模块中设置环境光检测子单元，以检测由环境光引起的直流信号的强度。从而可以通过检测直流信号的大小推测出激光雷达所处环境光的亮度，有利于对激光雷达的相应参数进行调节。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本申请实施例提供的用于激光雷达的光电探测模块的一个示意性结构图；

图2为本申请实施例提供的用于激光雷达的光电探测模块的一个实施例的示意性电路结构图；

图3为本申请实施例提供的用于激光雷达的光电探测模块的另一个实施例的示意性电路结构图；

图4为多通道用于激光雷达的光电探测模块的环境光检测方案的时序图；

图5为图1～图3所示的用于激光雷达的光电探测模块的一种实现电路的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的环境光检测方法的一个实施例的示意性流程图。

具体实施方式

在激光雷达接收系统中，环境光会对接收系统的探测带来影响。具体的表现方式为环境光在光电探测器上形成与光强成正比的电流，此电流值随外部光强变化，例如范围可能从0.9uA到17uA(雪崩光电探测单元，APD)，APD的回波是脉冲电流，电流峰值变化比较大，在几uA～1A范围变化，光电探测器中的直流会增加散粒噪声(光生电流的散粒噪声)，即外部环境光会影响探测器的信噪比。

对于现有的激光雷达中，缺乏可以实时检测环境光对探测电流的影响的方法，以现有的采用APD作为探测器的多线激光雷达为例，各通道共用一个高压，根据温度反馈控制高压降低APD增益随温度的漂移，但此种方案无法测量探测器的直流电流，因而也无法定量评估外部环境光对于激光雷达的检测的噪音影响。

部分现有技术对直流电流检测并量化为数字信号，需要电路具备两部分功能，一个是电流到电压的转换，另一个是电压信号的量化。对于直流检测中间电流电压转换，电路上常用的技术是对电流输入支路串联一个检测电阻，通过测量此串联电阻两端压差完成电流值的检测。当考虑到调节光电探测单元(APD)直流电压随温度、工艺发生变化时，部分现有技术采用了共模电压差分放大器，进行宽共模电压条件下的电流检测。

上述电路完成电流到电压的转换，有以下两个缺点，一是转换电阻无法取较大的电阻值，太大会造成电流的共模抑制变差，导致输出偏差增加，而对于检测微安级的电流，跨阻增益不能太小，因为与电压噪声量级相当，太小的电压无法有效量化，因此为保证有效量化还需要增加进一步放大，进一步放大会造成差分放大器的失配也被进一步放大，以最小的有效量化值为例，则至少还需要额外两级放大器，故采用此电路进行小电流检测，增加了整个检测电路的复杂度；二是为满足较好的检测精度，要求运放具有良好的输入失调电压和被测电流的直流不会被分流检测电路内部上，不分流需要保证运放正负端的等效电阻和完全一致，比例误差较小以及运放输入足够小，需要提高电阻匹配精度和运放输入对管匹配精度，这样会极大增加电路的面积造成成本增加。

通过本申请中的方案进行APD的直流检测，通过在同步逻辑电路设置有预设的和环境光相关的斜坡电压产生电路，斜坡电压产生电路在每一个环境光检测的时间段内产生从预设最小电压值(例如0V)至预设最大电压值的线性变化的电压信号Vramp。电流-电压转换器输出的由光电探测模块根据实测环境光的强度而输出的实测电压值。把实测电压值同Vramp比较，通过比较结果确定所得到的环境光对应的实际电压值。从而确定出环境光对应的直流电流，进而确定出环境光强度。然后根据环境光强度对光电探测器的相关参数做出调整。从而可以根据环境光调整激光雷达的功耗，在保证使用激光雷达可以得到准确的探测对象的信号的前提下，可以降低功耗和系统复杂度，提高检测精度。

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

请参考图1，图1示出了本申请实施例提供的用于激光雷达的光电探测模块的一个示意性结构图。

如图1所示，用于激光雷达的光电探测模块包括：光电探测单元11、信号调理单元12和数据处理单元13。光电探测单元11的输出端与信号调理单元12的输入端连接。信号调理单元12的输出端与所述数据处理单元13的输入端连接。

光电探测单元11用于感应入射到其上的光信号，并将感应到的所述光信号转换为电信号，其中入射到其上的光信号包括环境光信号和激光束照射到被测物体后被反射产生的回波激光信号，但电信号除了环境光以及回波信号引发的之外，还可能包括暗电流产生的。

信号调理单元12包括环境光检测子单元121和交流检测子单元122，所述环境光检测子单元121用于检测所述电信号中的直流信号，并对所述直流信号进行量化，通过量化结果反应环境光的强度。交流检测子单元122用于对电信号中的交流信号进行放大和量化；其中，所述交流信号包括所述光电探测单元11感应所述回波信号所产生的交流信号，所述直流信号包括光电探测单元11感应环境光信号生成的直流信号。

所述数据处理单元13用于对所接收到的量化后的交流信号和量化后的直流信号进行分析处理。例如数据处理单元将量化后的直流电压信号转换为对应的直流电压幅值。

在本实施例中，通过在光电探测模块中设置环境光检测子单元，以检测由环境光引起的直流信号的强度。从而可以通过检测直流信号的大小推测出激光雷达所处环境光的亮度，有利于对激光雷达的相应参数进行调节。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述信号调理单元12还包括偏压调节子单元123。所述偏压调节子单元123的输出端与光电探测单元11的阳极电连接；其中，所述偏压调节子单元123用于调节光电探测单元11的偏压以对由温度和工艺偏差引起的光电探测单元11的工作电流漂移进行校准。请结合图1和图5，偏压调节子单元123(DAC，digital-to-analog converter)输出一个电压VB接光电探测单元的阳极，光电探测单元的阴极接HV，因此光电探测单元的压差为HV-VB，光电探测单元的目标量是电流。对于光电探测单元而言，和电流I相关的物理关系可以表示为I＝f(HV-VB,T,P)，由于温度T和工艺P会导致不同二极管I值不一样，因此要通过调节HV-VB来使得I值一样，而HV不变，因此就要调节VB。也即使用偏压调节子单元123的输出电压来调节光电探测单元的电流。

请结合图2，其示出了本申请实施例提供的用于激光雷达的光电探测模块的一个实施例的示意性电路结构图。

如图2所示，光电探测模块可以包括一个光电探测单元11，信号调理单元12和数据处理单元13。光电探测单元11可以为APD、Spad(s)或者SiPM。

在本实施例中，信号调理单元12包括如图1所示的环境光检测子单元121和交流信号检测子单元122。

此外，用于激光雷达的光电探测模块还可以包括如图1所示的偏压调节子单元123以及交流检测子单元122。

交流检测子单元122可以包括电容1221、交流电流信号放大器1222和模数转换器(ADC)1223。其中，电容用于隔断直流信号。

环境光检测子单元121包括电流电压转换模块。电流电压转换模块的输入端与所述光电探测单元的阳极电连接。电流电压转换模块的输出端与数据处理单元的输入端连接。其中所述电流电压转换模块包括：同步逻辑电路1211，斜坡电压产生器1212、计数器1213、电流-电压转换器1214、电压比较器1215和锁存器1216；其中光电探测单元11的输出端与电流-电压转换器1214的输入端连接。同步逻辑电路的信号输出端可以输出相同的时钟信号。同步逻辑电路1211的信号输出端分别与斜坡电压产生器1212的输入端和计数器1213的输入端连接。同步逻辑电路1211输出的时钟信号控制所述斜坡电压产生器1212和所述计数器1213同时工作。斜坡电压产生器1212在计数器1211的输出的时钟信号的控制下，产生随时间变化的单调上升的电压信号。计数器1213在同步逻辑电路1211的输出的时钟信号控制下，产生随时间单调增加的计数值。

电压比较器的1215反相输入端与电流-电压转换器1214的输出端连接；所述电压比较器1215的同相输入端与所述斜坡电压产生器1212的输出端连接；所述锁存器1216的控制端与所述电压比较器1215的输出端连接，所述锁存器1216的信号输入端与所述计数器1213的输出端连接。锁存器的输出端作为电流电压转换模块的输出端与数据处理单元13连接。

在所述同步逻辑电路1211输出的信号的控制下，斜坡电压产生器1212产生斜坡电压信号(Vramp)。在每一个环境光信号检测时间段内，斜坡电压产生器1212产生从预设最小电压值至预设最大电压值的线性变化电压信号。计数器1213按照预设计数频率计数(Cout)。当电压比较器1215的同相输入端输入的斜坡电压信号(Vramp)大于电流-电压转换器输出的电压信号Vout时，电压比较器输出用于控制锁存器工作的控制信号；所述锁存器的控制端输入所述控制信号，锁存器锁存此时由信号输入端输入的计数值，并将锁存的计数值Lout输出。Lout为随时间不变的数字码值。锁存器锁存的上述数字码值是由电压比较器1215输出高电平控制的。而电压比较器1215是当斜坡电压产生器输出的电压Vramp由预设最小值线性升至预设最大值的过程中，当Vramp在某一时刻的值刚刚大于(也可视为等于)电流-电压转换器输出的电压Vout时，输出高电平信号。在APD环境光短时间不变的情况下，根据Lout的码值可以反推出原始的APD直流值。因此，数据处理单元根据所述计数值确定出环境光信号对应的直流电压值。

所述斜坡电压产生器在预设采样时间段内产生由预设最低电压值升至预设最高电压值的斜坡电压信号；所述计数器在所述预设采样时间段内按照预设计数频率由预设最低数值至预设最高数值计数。其中，上述预设最高电压值与预期环境光大小有关，预期环境光越强，最高电压值越大。具体实施中，最高电压值可以略高于或者等于预期环境光大小。

用于激光雷达的光电探测器工作时可以包括多个采样时间段。在每一个采样时间段内，同步逻辑电路产生的同步信号控制斜坡电压产生器与计数器同时工作。在该采样时间段内斜坡电压产生器产生从预设最低电压至预设最高电压的斜坡电压信号。同时，在该采样时间段内，计数器从000……0变化至111……1(计数的位数取决于预期量化精度，比如n＝8bit)，这样斜坡电压产生器输出的电压值Vramp和计数器的计数值Cout随时间同步正比增加。

电流-电压转换器可以是现有的各种将直流电流转换为直流电压的转换器。电流-电压转换器可以输入光电探测单元通过感受环境光而生产的模拟直流电流信号，并将上述模拟直流电流信号转换为模拟直流电压信号Vout。电流-电压转换器输出的电压信号Vout输入到电压比较器的反相输入端。斜坡电压产生器输出的电压信号Vramp输入到电压比较器的同相输入端。当电压信号Vout大于电压信号Vramp时，电压比较器输出低电平。当电压信号Vout小于电压信号Vramp时，电压比较器输出高电平。

电压比较器1215输出低电平的时候，也即锁存器的控制端输入低电平，锁存器不工作，输入到锁存器1216中的计数值不被锁存器锁存。锁存器没有输出。电压比较器1215输出高电平的时候，锁存器的控制端输入高电平，锁存器开始工作，此时输入到锁存器1216中的计数值被锁存器锁存。锁存器可以将输入到其中的计数值输出，输出值为Lout。

Lout可以是二进制数。数据处理单元可以将该二进制数转换为对应直流电压值，或者转换为与环境光以及暗电流相关的直流电流量，进而确定环境光的大小或者强度等信息。

在单通道电路中，直流电压Vout与Vramp进行比较，当Vramp电压超过Vout电压值时，比较器输出电压Vcmp翻转，Vcmp触发Latch(锁存器)电路锁存Counter当前的计数值输出为Lout(数字码值)。则此时Vout与Lout的对应关系为

其中，n是计数器的预设计数位数。VFS是斜坡电压产生器所能产生的预设最高电压值。

假设电流-电压转换器的跨阻增益为Rt，则有输入直流电流锁存器输出的计数值的对应关系为

其中I_in(DC)为光电探测器产生的直流电流；Vout为电流-电压转换器输出的直流电压值；Rt为电流-电压转换器的跨阻增益；VFS为斜坡电压产生器所能产生的最高预设电压；Lout为锁存器输出的计数值；n为上述计数器的预设计数位数。

在本实施例中，采用的比较器和Latch实现了直流量化，该方案不需要较高的性能和功耗，电路结构简单，仅在Vramp大于Vout触发一次，在下一次测量开始前对于斜坡电压产生器、计数器和锁存器进行复位，翻转次数较少，因此功耗较低、系统复杂度较低。

请参考图3，其示出了本申请实施例提供的用于激光雷达的光电探测模块的另一个实施例的示意性电路结构图。

与图2相比，图3所示的用于激光雷达的光电探测模块的电路结构图包括多个光电探测单元111、112、……、11N。每一个光电探测单元对应一个通道。每一个通道包括一个光电探测单元以及一个信号调理单元。如图3所示，用于激光雷达的光电探测模块包括信号调理单元101、102、……、10N。N是通道数量，为大于2的整数。

每一个信号调理单元可以包括环境光检测子单元、偏压调节子单元和交流检测子单元。其中，环境光检测子单元包括电流电压转换模块。电流电压转换模块包括电流-电压转换器1214、电压比较器1215、锁存器1216；交流检测子单元可以包括电容1221、放大器1222和模数转换器1223。

在本实施例中，多个通道的环境光检测子单元101、102、……10N的电流电压转换模块可以共用同步逻辑电路、斜坡电压产生器和计数器。多通道环境光检测子单元共用同步逻辑电路、斜坡电压产生器和计数器可以节省芯片面积，还可以降低整体系统复杂度和功耗。

也就是说，在本实施例中，多个通道101、102、……10N中的每一个通道的环境光检测子单元的电压比较器的同相输入端输入的是相同的斜坡电压产生器输出的斜坡电压信号；锁存器的信号输入端输入的是相同的计数器输出的计数值。

请参考图4，其示出了多通道用于激光雷达的光电探测模块的环境光检测方案的时序图。图4以3个通道的量化为例，展示了Cout,Vramp,Vcmp,和Lout的时序关系。在t1时刻，斜坡电压产生器和计数器启动，斜坡电压产生器所产生的电压Vramp从0V开始向上以不变斜率爬升。计数器计数值(Cout)从0开始在时钟(未画出，每一个X表示时钟变化一次)上升沿变化一次增加数字码值1。在t2时刻，Vramp超过通道101的Vout1电压，比较器输出Vcmp1翻转，锁存器将计数器在此刻的计数值3锁存在Lout1中。在t3时刻，Vramp超过通道102的Vout2电压，比较器输出Vcmp2翻转，锁存器将Counter在此刻的计数值80锁存在Lout2中。在t4时刻，Vramp超过通道103的Vout3电压，比较器输出Vcmp3翻转，锁存器将计数器在此刻的计数值253锁存在Lout3中。在t5时刻，计数器计数停止，斜坡电压产生器停止上升，等待下一次量化命令的到来。下一次量化命令到来前，各通道锁存器复位，计数器和斜坡电压产生器重复t1～t5的动作。需要说明的是，t1时刻可以是接收到激光探测回波之后的时刻，也可以是接收到激光探测回波之前的时刻。实践中，为避免环境光检测子单元的电路动作对接收激光探测回波的干扰(造成测距误差或精度下降)，可以在接收到激光探测回波之后由环境光检测子单元检测环境光信号强度。

在本申请中，时刻t1、t2、t3、t4均在一次测量APD直流的时间窗口之内，t1表示所有通道开始测量时刻，t5表示所有通道结束测量时刻，t2、t3、t4表示不同通道(通道1、通道2、通道3)对应的测量时刻结束值，测量时刻结束值与t1的差值(例如：t2-t1)与被检测的光电探测单元上的直流电流值成正比(通过时间长度量化电流幅度)。

在本实施例中，通过在同步逻辑电路设置有预设的和环境光相关的斜坡电压产生电路，斜坡电压产生电路在每一个环境光检测的时间段内产生从预设最小电压值(例如0V)至预设最大电压值的线性变化的电压信号Vramp。电流-电压转换器输出的由光电探测模块根据实测环境光的强度而输出的实测电压值。把实测电压值同Vramp比较，通过比较结果确定所得到的环境光对应的实际电压值。从而确定出环境光对应的直流电流，进而确定出环境光强度。然后根据环境光强度对光电探测器的相关参数做出调整。从而可以根据环境光调整激光雷达的功耗，在保证使用激光雷达可以得到准确的探测对象的信号的前提下，降低激光雷达的功耗。

相比数字量化单元采用多路模数转换的方式，本申请提出的方案为采用通道间共用斜坡电压产生器和计数器、单通道通过比较器和锁存器的方式来降低整体系统复杂度和功耗。采用的比较器和锁存器均不需要较高的性能和功耗，电路结构简单，仅在Vramp大于Vout触发一次，在下一次测量开始前对于斜坡电压产生器、计数器和锁存器进行复位，翻转次数较少，因此功耗较低、系统复杂度较低。

请继续参考图5，其示出了图1～图3所示的用于激光雷达的光电探测模块的一种实现电路的结构示意图。

在图5所示的用于激光雷达的光电探测器的一种电路结构中，光电探测器通过隔直电容与交流信号检测子单元的放大器AMP相连，保证直流信号不会流入交流信号检测子单元。另外，偏压调节子单元(DAC)和环境光检测子单元的电流-电压转换器进行了电路融合。

如图5所示，偏压调节子单元DAC包括低压调节子单元LVDAC和中等电压放大子单元(中等电压放大器)；所述中等电压放大子单元包括：直流电流源I0、第一三极管M1、第一运算放大器A1、第一输入电阻R1和第一反馈电阻R2；其中，所述第一输入电阻R1一端与地线连接，另一端与第一反馈电阻R2的一端连接；所述第一反馈电阻R2的另一端分别与光电探测单元APD1的阳极、直流电流源的输出端以及第一三极管的漏极电连接；所述光电探测单元APD1的阴极与第一高电位HV电连接，所述光电探测单元APD1的阳极还与直流电流源I0的输出端电连接；所述第一三极管M1的源极与地线连接，第一三极管M1的漏极与所述直流电流的输出端和光电探测单元的阳极连接；所述第一三极管M1的栅极与所述第一运算放大器A1的输出端连接；所述第一运算放大器的同相输入端与所述第一输入电阻的所述另一端连接，所述第一运算放大器的反相输入端与低压调节子单元的输出端连接。

所述电流-电压比较模块包括第二三极管M2、第三三极管M3、第四三极管M4、第三电阻R4、电压比较器CMP和锁存电路latch；其中，所述第二三极管M2的栅极与所述第一三电极管M1的栅极连接，所述第二三极管M2的源极与地线连接，第二三极管M2的漏极与所述第三三级管M3的漏极连接；

所述第三三极管M3的栅极与所述第四三极管M4的栅极连接；所述第三三极管M3的源极与第二高电位LV1连接，所述第三三极管M3的栅极与所述第三三极管M3的漏极连接；

所述第四三极管M4的源极与第三高电位LV2连接；所述第四三极管M4的漏极与所述第三电阻R4的一端连接，以及与所述电压比较器CMP的反相输入端连接；

所述电压比较器CMP的同相输入端与所述斜坡电路产生器的输出端连接，所述电压比较器CMP的输出端与所述锁存器Latch的控制端连接；

所述锁存器latch的信号输入端与所述计数器的输出端连接，所述锁存器latch的输出端与数据处理单元连接，由所述数据处理单元根据所述锁存器latch的输出端确定所述直流电流对应的直流电压；

所述第三电阻R4的另一端与地线连接。

此外，用于激光雷达的光电检测模块的环境光检测子单元还包括电流补偿模块(current compensation)；其中，所述电流补偿模块分别与所述偏压调节子单元和所述电流电压转换模块电连接。

所述电流补偿模块包括第二运算放大器A2、第五三极管M5、第六三极管M6、第七三极管M7、第八三极管M8和第九三极管M9；其中，

所述第二运算放大器A2的同相输入端与所述第一运算放大器A1的反相输入端连接；所述第二运算放大器A2的反相输入端与所述第五三极管的源极和所述第四电阻R3的一端电连接；所述第二运算放大器A2的输出端与所述第五三极管M5的栅极连接；

所述第四电阻R3的另一端与地线连接；

所述第五三极管M5的漏极与第六三极管M6的栅极、漏极以及第七三极管M7的栅极电连接；

所述第六三极管M6的源极与第四高电位LV3电连接；所述第六三极管M6的栅极与所述第七三极管M7的栅极连接；

所述第七三极管M7的源极与第五高电位LV4电连接；所述第七三极管M7的漏极与所述第八三极管M8的漏极电连接；

所述第八三极管M8的源极与地线连接，栅极与所述第九三极管M9的栅极电连接；所述第八三极管M8的漏极与所述第八三极管M8的栅极电连接；

所述第九三极管M9的源极与地线连接，漏极与所述第四三极管M4的漏极电连接。

DAC输出电压范围0～M(V)，M>0。DAC输出的电压用于调节光电探测器的偏置电压。DAC由两部分电路组成，一是LVDAC(低压DAC)，另一个是MV放大器(中等电压放大器)。MV放大器包含A1、R1、R2、I0和M1。A1为运算放大器。R1和R2分别为输入电阻和反馈电阻。I0为直流电流源。M1为输出NMOS。MV放大器的增益为(1+R2/R1)。MV放大器的开环阻抗为M1管的电阻ro与电流源I0的输出阻抗并联，近似为ro。选取ro值为高阻，则MV放大器输出端的等效为低通网络，交流信号不会流入MVDAC输出端。I-VConverter电路，也即电流-电压转换器，包含两个部分，一是有M2、M3、M4和R4组成电阻负载电流镜电路。二是有A2、R3、M5、M6、M7、M8、M9组恒的电流补偿电路(CurrentCompensation)。假设光电探测器产生的直流电流为I_in(DC)，则有流过M1的直流电流为I0+I_in(DC)，而M1和M2的栅极相连，二者构成电流镜电路，同时M3和M4也构成电流镜，继续将M2的电流镜像至M4，假设M1和M2的工作电流比例关系为p1，M3和M4的工作电流比例关系为p2，则有M4的电流I4为

I4＝p2×I3＝p2×p1×I1＝p2×p1×(I0+I_in(DC)) (3)；

其中，I4为M4的工作电流，I3为M3的工作电流；I1为M1的工作电流；I_in(DC)为光电探测器产生的直流电流；I0为直流电流源产生的电流。

M4的电流在R4上形成电压，在不考虑电流补偿电路时，得到电流-电压转换器(I-VConverter)的输出电压Vout为

Vout＝I4×R4＝p2×p1×(I0+I_in(DC))×R4 (4)；

这里R4代表电阻R4的电阻值。

即Vout与I_in(DC)成正比，并具有一个与I0相关的直流电压项。

为增加DAC输出电压范围(接近0～MV，这里M为预设数值，M大于零)，采用单管PMOS实现I0的电流源，故I0特性并非理想电流源，I0电流会被DAC输出电压Vdac影响，I0电流的近似表达式为I0＝I0'(1+λ×Vdac) (5)；

其中，Vdac为电压调节单元的输出电压；I0'表示与Vdac电压无关的直流分量，λ为预先测定的比例系数。

在考虑电流补偿电路时，I-VConverter的输出电压Vout表达式为

Vout＝(I4-I9)×R4＝(p2×p1×(I0+I_in(DC)-I9)×R4 (6)；

其中，I9为第九三极管M9的工作电流；R4代表电阻R4的电阻值；

而I9为电流补偿电路产生，假设M6和M7构成的电流镜比例为p3，M8和M9构成的电流镜比例为p4，则有

其中，Vlvdac为低压DAC(LVDAC)的输出电压；R3代表电阻R3的电阻值。

而LVDAC输出电压和DAC输出电压关系为

则有

I-VConverter的输出电压表达式为

当选取合适的比例系数使得

则Vout输出与Vdac电压近似无关。

在Vout表达式中，反映I_in(DC)与输出电压关系的等效跨阻Rt为

Rt＝Vout/I_in(DC)＝p2×p1×R4(13)；

由于跨阻的表达式中仅包含单个电阻，故对电阻比例要求不高。对于电流镜的比例p1和p2，可以选择较小的比例，以保证镜像误差较小，选取较大的R4阻值即可保证具有足够的跨阻增益。例如，选择p1＝p2＝3，R4＝50kΩ，则有Rt＝450kΩ，对于0.2uA的信号，跨阻为Rt＝450kΩ时，输出电压增加量为0.2uA*450kΩ＝90mV，可以满足一般的数字化电路有效量化范围。

本实施例提供的用于激光雷达的光电探测模块的实现电路，采用电流镜像方法实现了将光电探测单元将环境光转换的直流电流转换为直流电压，采用电流镜像方法间接检测光电探测单元转换环境光得到的直流电流，而不会改变光电探测单元直流工作状态。

此外，本实施例中，采用电流补偿模块，补偿由于偏压调节子单元输出电压带来的电流镜非线性，提高光电探测单元直流检测精度。

本申请实施例还提供一种激光雷达，激光雷达包括如图1～图3之一所示实施例提供的用于激光雷达的光电探测模块。

进一步参考图6，其示出了一种环境光检测方法，用于图1～图4之一所示实施例提供的用于激光雷达的光电检测模块。

如图6所示，环境光检测方法包括以下步骤：

步骤601，获取在同一时钟信号控制下单调上升的参考电压信号与单调递增计数的计数信号，参考电压信号在预设最小电压值与预设最大电压值之间单调上升。

步骤602，将参考电压信号与电流电压转换模块输出的实测电压信号进行比较；其中，电流电压转换模块用于将光电检测模块由检测到的环境光生成的直流电流信号转换成实测电压信号。

步骤603，在参考电压信号升至与所述实测电压信号相同的时刻，将该时刻的计数信号对应的计数值确定为目标计数值。

步骤604，根据所述目标计数值确定激光雷达的环境光的强度。

数据处理单元可以通过上述计数值确定环境光对应的直流电流的大小，进而确定环境光的大小。

在每一个采样时段内，例如使用同步逻辑单元输出的相同的同步时钟信号控制斜坡电压产生器与计数器同步工作。

实践中，电流电压转换模块输出的模拟电压信号可以被输入到电压比较器的反相输入端；所述斜坡电压产生器的输出端输出的斜坡电压信号可以被输入到比较器的同相输入端。所述模拟电压信号与光电探测模块感应环境光而产生的电流信号有预设的关系。当所述斜坡电压信号升至所述模拟电压信号时，所述电压比较器输出控制信号控制所述锁存器工作，所述锁存器将由输入端输入的计数器当前对应的计数值进行锁存，并将所锁存的计数值输出至数据处理单元。由数据处理单元根据预先确定的由环境光引起的直流电流信号与预设计数最大值和目标计数值以及电流-电压转换模块的跨阻增益之间的物理关系式(请参考公式(2))，来确定环境光对应的直流电流信号，从而确定激光雷达的环境光强度。

步骤601～步骤604的详细阐述可以参考图2和图3所示实施例的说明部分，此处不赘述。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

尽管已经采用特定于结构特征和/或方法逻辑动作的语言描述了本主题，但是应当理解所附权利要求书中所限定的主题未必局限于上面描述的特定特征或动作。相反，上面所描述的特定特征和动作仅仅是实现权利要求书的示例形式。

Claims (13)

1.一种用于激光雷达的光电探测模块，其特征在于，包括：光电探测单元、信号调理单元和数据处理单元；所述光电探测单元的输出端与信号调理单元的输入端连接，所述信号调理单元的输出端与所述数据处理单元的输入端连接；

所述光电探测单元用于感应入射到其上的光信号，并将感应到的所述光信号转换为电信号，其中入射到其上的光信号包括环境光信号和激光束照射到被测物体后被反射产生的回波激光信号；

所述信号调理单元包括环境光检测子单元，所述环境光检测子单元用于检测所述电信号中的直流信号，并对所述直流信号进行量化；其中所述直流信号包括光电探测单元感应环境光信号生成的直流信号；

所述数据处理单元用于对所接收到的量化后的交流信号和量化后的直流信号进行分析处理，根据环境光检测的结果对光电探测器单元进行调整。

2.根据权利要求1所述的用于激光雷达的光电探测模块，其特征在于，所述环境光检测子单元包括电流电压转换模块，所述电流电压转换模块的输入端与所述光电探测单元的阳极电连接；其中

所述电流电压转换模块包括：同步逻辑电路，斜坡电压产生器、计数器、电流-电压转换器、电压比较器、和锁存器；其中

所述光电探测单元的输出端与电流-电压转换器的输入端连接；

所述同步逻辑电路输出的信号控制所述斜坡电压产生器和所述计数器同时工作；

电压比较器的反相输入端与电流-电压转换器的输出端连接；所述电压比较器的同相输入端与所述斜坡电压产生器的输出端连接；

所述锁存器的控制端与所述电压比较器的输出端连接，所述锁存器的信号输入端与所述计数器的输出端连接。

3.根据权利要求2所述的用于激光雷达的光电探测模块，其特征在于，所述光电探测模块包括多个通道，所述多个通道中的每一个通道均包括所述光电探测单元、所述信号调理单元；

其中，各通道的信号调理单元包括电流电压转换模块，每一通道的电流电压转换模块包括电流-电压转换器、电压比较器和锁存器；以及

所述多个通道的电流电压转换模块共用相同的同步逻辑电路、斜坡电压产生器、计数器。

4.根据权利要求2或3所述的用于激光雷达的光电探测模块，其特征在于，

在所述同步逻辑电路输出的信号的控制下，所述斜坡电压产生器产生斜坡电压信号和所述计数器按照预设计数频率计数；

电压比较器的同相输入端输入的斜坡电压信号大于电流-电压转换器输出的电压信号时，所述电压比较器输出用于控制锁存器工作的控制信号；

所述锁存器的控制端输入所述控制信号，锁存器锁存此时由信号输入端输入的计数值，并将所述计数值输出；

所述数据处理单元根据所述计数值确定出环境光信号对应的直流电压值。

5.根据权利要求4所述的用于激光雷达的光电探测模块，其特征在于，所述斜坡电压产生器在预设采样时间段内产生由预设最低电压值升至最高电压值的斜坡电压信号；所述计数器在所述预设采样时间段内按照预设计数频率由预设最低数值至预设最高数值计数。

6.根据权利要求2或3所述的用于激光雷达的光电探测模块，其特征在于，所述信号调理单元还包括偏压调节子单元；

所述偏压调节子单元的输出端与光电探测单元的阳极电连接；其中

所述偏压调节子单元用于调节所述光电探测单元的偏压以对由温度和工艺偏差引起的所述光电探测单元的工作电流漂移进行校准。

7.根据权利要求6所述的用于激光雷达的光电探测模块，其特征在于，所述环境光检测子单元还包括电流补偿模块；其中

所述电流补偿模块分别与所述偏压调节子单元和所述电流电压转换模块电连接。

8.根据权利要求7所述的用于激光雷达的光电探测模块，其特征在于，所述偏压调节子单元包括低压调节子单元和中等电压放大子单元；

所述中等电压放大子单元包括：直流电流源、第一三极管、第一运算放大器、第一输入电阻和第一反馈电阻；其中

所述第一输入电阻一端与地线连接，另一端与第一反馈电阻的一端连接；

所述第一反馈电阻的另一端分别与光电探测单元的阳极、直流电流源的输出端以及第一三极管的漏极电连接；

所述光电探测单元的阴极与第一高电位电连接，所述光电探测单元的阳极还与所述直流电流源的输出端电连接；

所述第一三极管的源极与地线连接，第一三极管的漏极与所述直流电流的输出端和光电探测单元的阳极连接；所述第一三极管的栅极与所述第一运算放大器的输出端连接；所述第一运算放大器的同相输入端与所述第一输入电阻的所述另一端连接，所述第一运算放大器的反相输入端与低压调节子单元的输出端连接。

9.根据权利要求8所述的用于激光雷达的光电探测模块，其特征在于，所述电流电压转换模块包括第二三极管、第三三极管、第四三极管、第三电阻、电压比较器和锁存电路；其中

所述第二三极管的栅极与所述第一三电极管的栅极连接，所述第二三极管的源极与地线连接，第二三极管的漏极与所述第三三级管的漏极连接；

所述第三三极管的栅极与所述第四三极管的栅极连接；所述第三三极管的源极与第二高电位连接，所述第三三极管的栅极与所述第三三极管的漏极连接；

所述第四三极管的源极与第三高电位连接；所述第四三极管的漏极与所述第三电阻的一端连接，以及所述电压比较器的反相输入端连接；

所述电压比较器的同相输入端与所述斜坡电路产生器的输出端连接，所述电压比较器的输出端与所述锁存器的控制端连接；

所述锁存器的信号输入端与所述计数器的输出端连接，所述锁存器的输出端与数据处理单元连接，由所述数据处理单元根据所述锁存器的输出端确定所述直流电流对应的直流电压；

所述第三电阻的另一端与地线连接。

10.根据权利要求9所述的用于激光雷达的光电探测模块，其特征在于，所述电流补偿模块包括第二运算放大器、第五三极管、第六三极管、第七三极管、第八三极管和第九三极管；其中

所述第二运算放大器的同相输入端与所述第一运算放大器的反相输入端连接；所述第二运算放大器的反相输入端与所述第五三极管的源极和所述第四电阻的一端电连接；所述第二运算放大器的输出端与所述第五三极管的栅极连接；

所述第四电阻的另一端与地线连接；

所述第五三极管的漏极与第六三极管的栅极、漏极以及第七三极管的栅极电连接；

所述第六三极管的源极与第四高电位电连接；所述第六三极管的栅极与所述第七三极管的栅极连接；

所述第七三极管的源极与第五高电位电连接；所述第七三极管的漏极与所述第八三极管的漏极电连接；

所述第八三极管的源极与地线连接，栅极与所述第九三极管的栅极电连接；所述第八三极管的漏极与所述第八三极管的栅极电连接；

所述第九三极管的源极与地线连接，漏极与所述第四三极管的漏极电连接。

11.根据权利要求1所述的用于激光雷达的光电探测模块，其特征在于，所述信号调理单元还包括交流检测子单元，所述交流检测子单元用于对所述电信号中的交流信号进行放大和量化；其中，所述交流信号包括所述光电探测单元感应所述回波信号所产生的交流信号。

12.一种激光雷达，其特征在于，所述激光雷达包括1-11之一所述的用于激光雷达的光电探测模块。

13.一种环境光检测方法，用于1-11之一的用于激光雷达的光电探测模块；所述方法包括：

获取随在同步时钟信号控制下单调上升的参考电压信号与单调递增计数的计数信号；

将所述参考电压信号与电流电压转换模块输出的实测电压信号进行比较；其中，所述电流电压转换模块用于将光电检测模块由检测到的环境光生成的直流电流信号转换成实测电压信号；

在所述参考电压信号升至与所述实测电压信号相同的时刻，将该时刻的计数信号对应的计数值确定为目标计数值；

根据所述目标计数值确定激光雷达的环境光的强度。

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