CN114545371A - 一种提高spad激光雷达精度系统及其方法 - Google Patents

一种提高spad激光雷达精度系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光测距技术领域，具体涉及一种提高SPAD激光雷达精度系统及其方法，包括用于提供时钟信号的时钟单元，其特征在于，还包括锁相环电路、TDC数据补位模块和数据比较电路；所述锁相环电路包括一个时钟输入端口以及分别用于输出2n个不同相位时钟信号的时钟信号输出端口，所述锁相环电路的时钟输入端口与所述时钟单元相连，2n个时钟信号输出端口分别与2n个TDC数据补位模块输入端相连；所述TDC数据补位模块用于在2n个TDC电路的输出尾端添加不同相位TDC时钟识别码，所述TDC数据补位模块的输出端与数据比较电路输入端相连；所述数据比较电路的输出端输出具有2n倍分辨率值的时钟地址信息；本发明可在不提高主频的情况下，成倍提高TDC分辨率。

Description

一种提高SPAD激光雷达精度系统及其方法
技术领域
本发明涉及激光测距技术领域，具体涉及一种提高SPAD激光雷达精度系统及其方法。
背景技术
目前激光雷达系统一般包括激光发射系统、光路操控系统、回波接收系统以及处理系统组成，激光雷达技术通过主动发射激光束，经光路操作系统后照射到被测物体后，形成漫反射回波，由接收系统接收回波光源,接收系统主要为各种光电探测器，如：CCD光传感器、CMOS传感器、PD光电二极管、APD雪崩二极管、SPAD等。基于SPAD(SinglePhotonAvalanche Diode，单光子雪崩二极管)阵列探测器的激光雷达因灵敏度高、极限量程大等优点，展现出很高的优势和广阔的前景。
基于SPAD的激光雷达的接收系统，包含SPAD阵列，阵列中的每个像素单元是基本的光学感知单位，在外置高电压差下，处于雪崩状态，这种状态下像素单元信号光激发，输出值为“1”，如果没有被激发，则不输出任何值或输出值为“0”。SPAD芯片与TDC模块(时间-距离转换器、Time Distance Convertor)连接，激光雷达在一个测量周期内，向目标区域发射N个激光脉冲，每发射一个激光脉冲，激光雷达内部时钟开始计时，TDC模块记录SPAD芯片的输出时间，并在N次激光脉冲发完后并进行直方图统计，选取直方图最高的值所对应的时间，其表示所述光源何时发射所述光以及所述光电检测器何时检测到所述图像光的时序信号差及时间差,通过：S＝光速×时间差/2直接计算成所测物体的距离，可以省去其他感光元件光信号-模拟信号-数字信号的信号变化流程，因此具有更高的效率。
现有TDC电路模块主要有双端口RAM结构和双RAM结构。双端口RAM结构TDC
电路如图1所示，双RAM结构TDC电路如图2所示。由于完全采用主时钟的500MHz来进行时间测量，Tof(Time offlight，光的飞行时间)的时间分辨率为一个时钟单元(CLOCK)，也就是2ns,根据2ns光的飞行距离约为30cm，因此激光雷达分辨率约为30厘米。时间测量值也同时用作产生RAM的地址信号。所以Tof时间的测量结果是RAM中数值最高的单元所对应的地址值，如图1及图2所示。这种TDC电路的分辨率受到时钟周期的单元长短的限制。在要求高分辨率的应用里30厘米分辨率显得过于粗糙。
现有做法通常通过提高主频的方式来直接提高如图1所示的双端口RAM结构TDC电路以及如图2所示的双RAM结构TDC电路的分辨率。但是主频提高受到元器件特性制约，会显著增加电路成本。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种提高SPAD激光雷达精度系统及其方法，能够在不提高主频的前提下提高距离分辨率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明第一方面提出了一种提高SPAD激光雷达精度系统，包括用于提供时钟信号的时钟单元、锁相环电路、TDC数据补位模块和数据比较电路；
所述锁相环电路包括一个时钟输入端口以及分别用于输出2n个不同相位时钟信号的时钟信号输出端口，所述锁相环电路的时钟输入端口与所述时钟单元相连，2n个时钟信号输出端口分别与2n个TDC数据补位模块输入端相连；
所述TDC数据补位模块用于在2n个TDC电路的输出尾端添加不同相位TDC时钟识别码，所述TDC数据补位模块的输出端与数据比较电路输入端相连；
所述数据比较电路的输出端输出具有2n倍分辨率值的时钟地址信息。
作为本发明的一个技术方案，所述识别码一串由n位二进制数据依次排列组成。
本发明第二方面提出了一种提高SPAD激光雷达分辨率的方法，包括如下步骤：
步骤S01，激光雷达发出激光脉冲，同时激光雷达时钟向锁相环电路发出开始计时信号；
步骤S02，所述锁相环电路接收开始计时信号，启动0度相位TDC电路开始计时，每间隔
Figure BDA0003580845610000021
度启动相应时钟信号输出端口对应的TDC电路，直至2n个时钟信号输出端口对应的2n路TDC电路全部启动完成；
步骤S03，所述TDC数据补位模块对2n个TDC电路的输出尾端添加识别码，识别码由n位二进制数据依次排列而成，2n个识别码与2n个时钟信号一一对应；
步骤S04，经所述TDC数据补位模块补位后的2n个TDC数据输入到比较器，所述比较器先选择每路TDC电路中最大值所对应的时钟地址，其中，每个时钟地址包含2n个相位；
步骤S05，所述比较器对每路TDC电路中的最大值对应的时钟地址进行比较，选取时钟地址中数量最多的相位为最终输出结果，所述输出结果具有2n倍分辨率值的时钟地址信息。
作为本发明的一个技术方案，步骤S01中开始计时信号同时作用于2n个TDC电路且TDC电路开始计时时，计数器清零。
作为本发明的一个技术方案，2n路TDC电路启动后同时测量激光雷达的回波信号。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
本发明通过锁相环电路的时钟输入端口连接时钟单元，2n个时钟信号输出端口分别连接2n个TDC数据补位模块输入端，在2n个TDC电路的输出尾端添加不同相位TDC时钟识别码，在通过TDC数据补位模块的输出端连接数据比较电路输入端，使得数据比较电路输出具有2n倍分辨率值的时钟地址信息，实现可在不提高主频的情况下，成倍提高TDC分辨率。
附图说明
图1为现有技术中双端口RAM结构TDC电路；
图2为现有技术中双RAM结构TDC电路；
图3为本发明中实施例1示意图一；
图4为本发明中实施例1示意图二；
图5为本发明中实施例2示意图；
图6为本发明中实施例3示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例1
一种提高SPAD激光雷达精度系统，包括用于提供时钟信号的时钟单元、锁相环电路、TDC数据补位模块和数据比较电路；所述锁相环电路包括一个时钟输入端口以及分别用于输出2n个不同相位时钟信号的时钟信号输出端口，所述锁相环电路的时钟输入端口与所述时钟单元相连，2n个时钟信号输出端口分别与2n个TDC数据补位模块输入端相连；所述TDC数据补位模块用于在2n个TDC电路的输出尾端添加不同相位TDC时钟识别码，所述识别码一串由n位二进制数据依次排列组成，所述TDC数据补位模块的输出端与数据比较电路输入端相连；所述数据比较电路的输出端输出具有2n倍分辨率值的时钟地址信息。(n≥1)。
参考图3，本实施例中n＝2，数据比较电路输出具有4倍分辨率，锁相环电路PLL具有4个时钟信号输出端口，4个时钟信号输出端口分别输出相位为0度的时钟信号、相位为90度的时钟信号、相位为180度的时钟信号以及相位为270度的时钟信号。相应地设置4个Tof末尾补位模块。
在本实施例提高SPAD激光雷达分辨率方法，包括如下步骤：
步骤S01，激光雷达发出激光脉冲，同时激光雷达时钟向锁相环电路发出开始计时信号(ST)；
步骤S02，所述锁相环电路接收开始计时信号，启动0度相位TDC电路开始计时，每间隔90度启动相应时钟信号输出端口对应的TDC电路，直至4个时钟信号输出端口对应的4路TDC电路全部启动完成；
步骤S03，所述TDC数据补位模块对4个TDC电路的输出尾端(RAM时钟地址)添加识别码，识别码由2位二进制数据依次排列而成，分别为00/01/10/11，4个识别码与4个时钟信号一一对应；
步骤S04，经所述TDC数据补位模块补位后的4个TDC数据输入到比较器，所述比较器先选择每路TDC电路中最大值所对应的时钟地址，其中，每个时钟地址包含4个相位；
步骤S05，所述比较器对每路TDC电路中的最大值对应的时钟地址进行比较，选取时钟地址中数量最多的相位为最终输出结果，所述输出结果具有4倍分辨率值的时钟地址信息。
进一步的，步骤S01中开始计时信号同时作用于4个TDC电路且TDC电路开始计时时，计数器清零。4路TDC电路启动后同时测量激光雷达的回波信号。
参考图4，在主频为500MHz(CLOCK为2ns)不变的前提下，通过锁相环分成4路结构完全相同的TDC电路，形成TDC阵列，一个CLOCK单元同时被分成了4个完全相同的相位。当激光雷达发射激光脉冲，4路TDC电路同时对回波信号进行探测，其差别仅仅时相位不同(起始时间不同)，当激光雷达发射的激光照射到所测物体时发生发射，反射光被4路TDC电路测到，最终0相位TDC电路所测到的直方图峰值地址为3&00，90相位TDC电路所测到的直方图峰值地址为3&01，180相位TDC电路所测到的直方图峰值地址为2&10，270相位TDC电路所测到直方图峰值地址为2&11，所述比较器选取时间地址中数量最多的相位为最终输出结果，输出地址为CLOCK3的90相位，因此具有原来TDC的4倍分辨率。
实施例2
参考图5，与实施例1不同的是：
本实施例中n＝1，时钟单元产生的时钟信号输入锁相环电路PLL，锁相环电路PLL具有2个时钟信号输出端口，2个时钟信号输出端口分别输出相位为0度的时钟信号和相位为180度的时钟地址信号，锁相环电路PLL的两个时钟信号输出端口分别连接Tof末尾补位模块(TDC数据补位模块)，分别为0和1，通过Tof末尾补位模块，两个Tof末尾补位模块的输出与数据比较器的输入端相连，数据比较器的输出端输出2倍分辨率值的时钟信号。
实施例3,
参考图6，与实施例1、2不同的是：
本实施例中n＝3，锁相环电路PLL具有8个时钟信号输出端口，8个时钟信号输出端口分别输出相位为0度的时钟信号、相位为45度的时钟信号、相位为90度的时钟信号、相位为135度的时钟信号、相位为180度的时钟信号、相位为225度的时钟信号、相位为270度的时钟信号以及相位为315度的时钟信号。相应地设置四个Tof末尾补位模块。每个Tof测量值(RAM的地址)后面可以添加末尾二进制序号，依次为000、001、010、011、100、101、110、111。
本发明在不提高主频的情况下，成倍提高TDC分辨率。在实际测试中，计数器和RAM时钟500MHz前提下，4倍TDC测量分辨率大约为7厘米，8倍分辨率大约4厘米。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种提高SPAD激光雷达精度系统，包括用于提供时钟信号的时钟单元，其特征在于，还包括锁相环电路、TDC数据补位模块和数据比较电路；
所述锁相环电路包括一个时钟输入端口以及分别用于输出2n个不同相位时钟信号的时钟信号输出端口，所述锁相环电路的时钟输入端口与所述时钟单元相连，2n个时钟信号输出端口分别与2n个TDC数据补位模块输入端相连；
所述TDC数据补位模块用于在2n个TDC电路的输出尾端添加不同相位TDC时钟识别码，所述TDC数据补位模块的输出端与数据比较电路输入端相连；
所述数据比较电路的输出端输出具有2n倍分辨率值的时钟地址信息。
2.根据权利要求1所述的一种提高SPAD激光雷达精度系统，其特征在于，所述识别码一串由n位二进制数据依次排列组成。
3.一种提高SPAD激光雷达分辨率的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S01，激光雷达发出激光脉冲，同时激光雷达时钟向锁相环电路发出开始计时信号；
步骤S02，所述锁相环电路接收开始计时信号，启动0度相位TDC电路开始计时，每间隔
Figure FDA0003580845600000011
度启动相应时钟信号输出端口对应的TDC电路，直至2n个时钟信号输出端口对应的2n路TDC电路全部启动完成；
步骤S03，所述TDC数据补位模块对2n个TDC电路的输出尾端添加识别码，识别码由n位二进制数据依次排列而成，2n个识别码与2n个时钟信号一一对应；
步骤S04，经所述TDC数据补位模块补位后的2n个TDC数据输入到比较器，所述比较器先选择每路TDC电路中最大值所对应的时钟地址，其中，每个时钟地址包含2n个相位；
步骤S05，所述比较器对每路TDC电路中的最大值对应的时钟地址进行比较，选取时钟地址中数量最多的相位为最终输出结果，所述输出结果具有2n倍分辨率值的时钟地址信息。
4.根据权利要求3所述的一种提高SPAD激光雷达分辨率的方法，其特征在于，步骤S01中开始计时信号同时作用于2n个TDC电路且TDC电路开始计时时，计数器清零。
5.根据权利要求3所述的一种提高SPAD激光雷达分辨率的方法，其特征在于，2n路TDC电路启动后同时测量激光雷达的回波信号。
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