CN117148368B - Apd及其最优增益确定方法、控制方法、装置、激光雷达 - Google Patents

Apd及其最优增益确定方法、控制方法、装置、激光雷达 Download PDF

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Abstract

本公开涉及APD及其最优增益确定方法、控制方法、装置、激光雷达，该APD的最优增益确定装置包括：参考光源，用于发出具有目标强度的光线；接收链路，用作激光雷达的接收回路的等效光学链路，光线通过接收链路传输；APD以及与APD连接的放大器；APD用于接收经由接收链路传输的光线，并生成对应的光电流；放大器用于基于光电流生成放大后的监控电压；其中，APD基于偏压调节，输出的光电流为放大器的饱和电流的1/N；其中，N为激光雷达的噪声比例系数，饱和电流对应的监控电压为激光雷达的接收阈值，此时APD的增益为最优增益。由此，能够结合放大器的参数匹配确定APD的最优增益，有利于提升雷达的测距性能。

Description

APD及其最优增益确定方法、控制方法、装置、激光雷达
技术领域
本公开涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种APD及其最优增益确定方法、控制方法、装置、激光雷达。
背景技术
随着光电技术的发展，雪崩光电二级管(Avalanche Photo Diode，APD)的应用范围越来越广。例如，在激光雷达测距中，激光雷达中配置有APD，利用APD的雪崩倍增效应放大光电信号，从而提高激光雷达测距的测距范围和测距精度。其中，APD放大光电信号的脉冲信号的倍数与APD的工作电压相关，具体地，工作电压越接近击穿电压，其放大效果越好，在专利文件CN115097418A中，为了满足放大需求，将APD的工作电压调整为APD利用雪崩倍增效益工作时的电压。
但是，在实际应用操作过程中，由于APD与放大器连接，APD输出的放大的光电信号是提供给后级放大器的，放大器对该光电信号进行进一步放大，并供给后级电路处理。其中，由于放大器是存在饱和电流的，APD的增益倍数调整至雪崩增益时，存在超出放大器饱和电流的情况，此时并不能达到最好的系统级信号放大效果，影响雷达的测距性能。
发明内容
为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种APD及其最优增益确定方法、控制方法、装置、激光雷达。
第一方面，本公开提供了一种APD的最优增益确定装置，包括：
参考光源，用于发出具有目标强度的光线；
接收链路，用作激光雷达的接收回路的等效光学链路，所述光线通过所述接收链路传输；
APD以及与所述APD连接的放大器；所述APD用于接收经由所述接收链路传输的光线，并生成对应的光电流；所述放大器用于基于所述光电流生成放大后的监控电压；
其中，所述APD基于偏压调节，输出的所述光电流为所述放大器的饱和电流的1/N；其中，N为所述激光雷达的噪声比例系数，所述饱和电流对应的所述监控电压为所述激光雷达的接收阈值，此时APD的增益为最优增益。
可选地，该APD的最优增益确定装置还包括：
温度调节部件，用于在APD的工作温度范围内，将所述APD的温度调节至多个不同的目标温度；
偏压调节部件，用于在每个所述目标温度下调节所述APD的偏压，使所述APD的增益保持为最优增益。
可选地，该APD的最优增益确定装置还包括：
处理器，用于获取所述APD在所述多个不同的目标温度下最优增益分别关联的偏压，并根据所述多个不同的目标温度和对应的偏压确定所述APD在工作温度范围内的各不同温度下达到最优增益的偏压。
第二方面，本公开还提供了一种APD的最优增益确定方法，包括：
获取参考光源发出具有目标强度的光线；
基于APD接收到的经由接收链路传输的光线，生成对应的光电流；所述接收链路用于模拟激光雷达的接收回路的光学链路；
基于放大器输出对应于所述光电流的监控电压；
其中，对所述APD进行偏压调节，使所述光电流为所述放大器的饱和电流的1/N，此时所述APD的增益为最优增益；其中，N为所述激光雷达的噪声比例系数，所述饱和电流对应的所述监控电压为所述激光雷达的接收阈值。
可选地，该APD的最优增益确定方法还包括：
获取所述APD的温度；
基于所述温度和所述偏压，得到当前温度下最优增益关联的偏压。
可选地，该APD的最优增益确定方法还包括：
在APD的工作温度范围内，获取所述APD多次调节后对应的多个不同的目标温度；
在每个所述目标温度下调节所述APD的所述偏压，使所述APD的增益保持为最优增益。
可选地，在每个目标温度下调节APD的偏压，使APD的增益保持为最优增益，包括：
调节所述APD的偏压；
获取调节后的偏压下所述放大器输出的监控电压；
判断所述监控电压与所述接收阈值是否一致；
在所述监控电压与所述接收阈值一致时，确定所述APD的增益为最优增益；
在所述监控电压与所述接收阈值不一致时，继续执行调节操作以调节所述APD的偏压。
可选地，该APD的最优增益确定方法还包括：
获取所述APD在所述多个不同的目标温度下保持最优增益所关联的偏压；
根据所述多个不同的目标温度和对应的偏压确定所述APD在工作温度范围内的各不同温度下达到最优增益的偏压。
可选地，所述多个不同的目标温度间断设置；
其中，所述根据所述多个不同的目标温度和对应的偏压确定所述APD在工作温度范围内的各不同温度下达到最优增益的偏压，包括：
在大小相邻的两组目标温度之间，利用函数插值的方式，确定中间温度对应的偏压。
可选地，该APD的最优增益确定方法还包括：
获取所述APD的第一设计参数、第二设计参数、最优增益下的偏压以及雪崩偏压；
基于所述第一设计参数、所述第二设计参数、所述偏压以及所述雪崩偏压，采用第一公式计算所述最优增益；
其中，所述第一公式为：
M＝a/[eb×(Vapd-Vbr)-1]；
其中，a代表第一设计参数，b代表第二设计参数，Vapd代表偏压，Vbr代表雪崩偏压。
可选地，该APD的最优增益确定方法还包括：
获取所述APD的性能参数、最优增益下的偏压、所述放大器的电阻值和输出电流；
基于所述性能参数、所述偏压、所述电阻值和所述输出电流，采用第二公式计算所述最优增益；
其中，所述第二公式为：
M＝1/{[1-(Vapd-IRs)/Vbr]m}；
其中，m代表APD的性能参数，I代表输出电流，Rs代表放大器的电阻值，Vapd代表偏压，Vbr代表雪崩偏压。
可选地，该APD的最优增益确定方法还包括：
获取所述APD稳定在最优增益后的所述光电流的平均值；
获取所述APD在最优增益下未接受光线照射时的暗电流；
基于所述光电流的平均值和所述暗电流，采用第三公式计算所述最优增益；
其中，所述第三公式为：
M＝Im/Ip；
其中，Im代表暗电流，Ip代表光电流的平均值。
第三方面，本公开还提供了一种APD的控制方法，包括：
获取APD的当前工作温度；
基于所述APD的当前工作温度，结合最优增益下偏压与温度之间的关联关系，确定最优增益下该温度关联的目标偏压；
将所述APD的偏压调节至所述目标偏压；
其中，所述关联关系基于第二方面提供的任一种方法确定。
第四方面，本公开还提供了一种APD的控制装置，包括：
温度获取模块，用于获取APD的当前工作温度；
偏压确定模块，用于基于所述APD的当前工作温度，结合最优增益下偏压与温度之间的关联关系，确定最优增益下该温度关联的目标偏压；
偏压调节模块，用于将所述APD的偏压调节至所述目标偏压；
其中，所述关联关系基于第二方面提供的任一种方法确定。
第五方面，本公开还提供了一种APD，所述APD的最优增益基于第二方面提供的任一种方法确定；或者所述APD基于第三方面提供的任一种方法进行控制。
第六方面，本公开还提供了一种激光雷达，包括第六方面提供的任一种APD。
可选地，该激光雷达还包括：
光线发射端，用于发射探测光线；
接收回路，用于接收探测光线被物体反射回的回波光线，并传输至所述APD；
放大器，与所述APD连接；所述放大器用于将所述APD生成的光电流放大为监控电压；
处理器，用于基于所述监控电压生成回波接收时间。
本公开提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：
本公开提供的APD的最优增益确定装置包括：参考光源、接收链路、APD以及放大器，参考光源用于发出具有目标强度的光线；接收链路用作激光雷达的接收回路的等效光学链路，光线通过接收链路传输；APD用于接收经过接收链路传输的光线，并生成对应的光电流；放大器与APD连接，用于基于光电流生成放大后的监控电压；其中，APD基于偏压调节，输出的光电流为放大器的饱和电流的1/N；其中，N为激光雷达的噪声比例系数，饱和电流对应的监控电压为激光雷达的接收阈值，此时APD的增益为最优增益。由此，能够结合放大器的参数匹配确定APD的最优增益，避免放大器超出其饱和电流，从而可以提升系统级信号放大效果，有利于提升雷达的测距性能。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开实施例提供的一种APD的最优增益确定装置的结构示意图；
图2为本公开实施例提供的另一种APD的最优增益确定装置的结构示意图；
图3为本公开实施例提供的一种APD的最优增益确定方法的流程示意图；
图4为本公开实施例提供的一种APD的控制方法的流程示意图；
图5为本公开实施例提供的一种APD的控制装置的结构示意图；
图6为本公开实施例提供的一种激光雷达的结构示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。
如背景技术中所介绍的，申请人发现，在利用雷达进行测距时，APD的放大增益无需调整至雪崩增益。那么，APD的放大增益调整至多少时能取得最优的信号放大效果，且能确保适当的信噪比和灵敏度，同时避免信号过度放大引起的失真，相关技术中还未提出任何有效的技术方案。
具体地，相关技术中一般采用如下两种方式确定APD的增益：第一种方式是依据测量距离值(可简称为测距值)的表现将APD的增益标定到临近雪崩状态，其中，由于测距值只能标示雷达是否雪崩的两个状态，且不能固定APD增益(即APD的增益会随温度变化，APD在临近雪崩偏压下其增益值有较大变化，即增益和雪崩电压都会随温度发生变化)，由此当APD的增益发生变化的时候，噪声也会随之变化，导致在不同温度下雷达测距性能不一致。第二种方式是：依据技术参考手册提供一次函数粗略调控，但该方式忽略了入射光功率、暗电流、光电响应度、硬件电路输入的误差和影响，既不能保证APD工作在最大增益下，又不能保证APD增益波动(可参考《APD偏压的自适应电路设计》-中国知网)。
基于此，本公开实施例所解决的技术问题可包括如下一个或多个：
(1)解决了只能将APD标定到临近雪崩状态的问题，提供了固定任意APD增益下关联温度的偏压标定方式。具体地，将观测量从点云的测距值改变为更为精细的电压值(即APD输出的光电流经过固定增益放大器后输出的监控电压)，可以直接标示APD的增益，通过在不同工作温度下的偏压调控实现APD在工作温度范围内增益一致。
(2)解决了APD增益随温度变化，导致雷达噪声水平不一致的问题。具体地，APD的增益和APD的偏压都随温度变化，如果保证APD的偏压在工作温度范围内一直是雪崩电压就导致APD的增益随温度有较大的变化。本公开实施例中，将APD的增益固定在任意值时，确定温度与偏压的关联关系，基于该关联关系能够通过调节不同工作温度下的偏压使APD的增益保持一致，从而雷达噪声水平保持一致。
(3)解决了APD增益过大或过小的问题，提供了系统层面调控APD的最优增益的方案，提升了雷达测距性能。具体地，APD在放大测量信号的同时也会放大噪声信号，且后级的放大电路(即放大器)对输入值也有一定的要求，所以APD的增益并非越大越优，例如APD增益过大导致噪声也被放大，降低有效阈值的测量范围，增益不稳定也会导致测试性能下降，具体地增益不稳定，噪声放大后的值也不稳定，会导致雷达接收阈值提高，从而淹没部分有效测量信号；本公开实施例通过固定APD增益在任意值，解决了该问题。
对应的，本申请实施例能够实现的技术效果包括下述一个或多个：
(1)通过包括放大器在内的系统级参数的匹配，计算APD的最优增益，实现了雷达测距性能的提升；其中，系统级参数包括放大器的饱和电流、参考光源的发射功率以及抵抗噪声的量级强度；雷达测距性能提升包括精度的提升和测距能力的提升。
具体地，通过固定的光照强度和固定增益放大器的饱和电流，计算APD的最优增益，通过APD增益标定的方法，可以实现任意增益值标定，解决了由于APD增益过大(噪声同步被放大，淹没正常测量信号)或过小(较弱的有效信号不能被检测)，导致雷达测距性能下降的问题。
(2)通过APD增益标定的方法，可以通过偏压调节实现工作温度范围内增益的精准控制，当APD的增益的固定时，噪声的放大后的电流幅值就固定下来了，同步接收阈值也固定了，不会随着温度的变化而变化了，解决了由于APD增益随温度波动造成雷达测距波动。基于此实现精度的提升和测距能力的提升。
精度的提升是在于：雷达在工作温度范围内，APD的增益保持一致，而不再随温度变化，对于相同能力的激光，输出电流稳定，后级波形处理上升沿稳定，对于测量同一个物体时，不会由增益波动导致测量距离发生变化，从而保证了雷达的测距精度。
测距能力提升是在于：在不同温度下，通过调节偏压，调节APD的增益，合理调控噪声信号(即目标强度)、激光信号(即有效信号)和后级放大器件饱和电流的关系，实现弱信号的准备测量，提升雷达的测距距离。
(3)固定了APD增益，解决了噪声随温度变化的问题。具体地，该偏压标定方式通过调控APD的偏压实现在工作温度范围内APD的增益稳定，使工作温度范围内噪声水平的稳定，提升雷达测距性能。
下面结合附图，对本公开实施例提供的APD的最优增益确定装置、APD的最优增益确定方法、APD的控制方法、APD的控制装置、计算机可读存储介质、APD以及激光雷达进行示例性说明。
示例性地，图1为本公开实施例提供的一种APD的最优增益确定装置的结构示意图。参照图1，该包括APD的最优增益确定装置10：参考光源110，用于发出具有目标强度的光线；接收链路120，用作激光雷达的接收回路的等效光学链路，光线通过接收链路120传输；APD130以及与APD130连接的放大器140；APD130用于接收经由接收链路120传输的光线，并生成对应的光电流；放大器140用于基于光电流生成放大后的监控电压；其中，APD130基于偏压调节，输出的光电流为放大器140的饱和电流的1/N；其中，N为激光雷达的噪声比例系数，饱和电流对应的监控电压为激光雷达的接收阈值，此时APD130的增益为最优增益。低于接收阈值的为噪声信号，高于接受阈值的为测量信号。
其中，参考光源110可采用固定强度的光照仪器，用来提供噪声源；该固定强度可采用光线发射功率表征，即该参考光源110可发出具有固定功率的光线。
接收链路120也可称为光学链路，用于模拟激光雷达的接收回路；该接收链路120可包括光学元件(例如透镜)或按照一定相对空间位置排布的系列光学元件(例如透镜组)。示例性地，该接收链路120也可直接采用待标定激光雷达的接收回路，以精准标定APD和激光雷达。
APD130能够进行光电转换，例如可接收由参考光源110发出并经过接收链路120的光线，并基于光电效应生成对应的光电流，并传输至放大器140。
放大器140可为固定增益放大器，即放大倍数固定的放大器，例如跨阻放大器(Texas Instruments India，TIA)。经APD130输出的光电流经过放大器140输出电压值，即得到对应于噪声信号的监控电压。
其中，N是用于区分噪声信号和测量信号的系数，即在饱和电流的范围内，1/N对应噪声信号所产生的电流，(N-1)/N对应测量信号所产生的电流；每款激光雷达的噪声比例系数是不一样的，该噪声比例系数可理解为激光雷达的一个设计值。基于此，对于激光雷达探测同样的距离：如果N越小，留给噪声的产生的电流越大，可以允许APD的增益大一些，激光器的功率低一些；如果N越大，留给噪声的产生的电流越小，APD的增益可以则会小一些，激光器的功率则需要大一些。对于激光雷达来说，激光器是雷达的核心，其功率和价格成正比，且高功率激光器对电路驱动能力，光学抑制杂散光等要求较高，本公开实施例中，可以将N的取值设置的大一些，以降低对激光器功率的要求，且有利于降低对光学抑制杂散光等要求。
示例性地，N的取值可为5、10或其他取值，在此不限定。
本公开实施例中，由于放大器140的饱和电流为固定值，APD保持在任意固定增益，且噪声源对应的APD130的光电流为放大器140的饱和电流的1/N，则噪声源对应的光电流也为固定值，而非随温度变化的值，由此，APD130在不同温度下的增益可为任意固定值，对应激光雷达的探测一致性较好；同时，饱和电流对应的为监控电压为激光雷达的接收阈值，也避免了APD130增益过大而导致的信号失真的问题，有利于提升探测精准度。
在一些实施例中，图2为本公开实施例提供的另一种APD的最优增益确定装置的结构示意图。在图1的基础上，参照图2，该APD的最优增益确定装置10还包括：温度调节部件150，用于在APD130的工作温度范围内，将APD130的温度调节至多个不同的目标温度；偏压调节部件160，用于在每个目标温度下调节APD130的偏压，使APD130的增益保持为最优增益。
其中，温度调节部件150和偏压调节部件160均针对APD130设置，分别用于调节APD130的温度和电压；由此，在APD的最优增益确定为任意固定增益值的前提下，再通过温度调节部件150调节APD130的温度，模拟APD130工作于不同温度下，同时，利用偏压调节部件160调节APD130的偏压，使APD130的增益保持在最优增益的固定值，从而实现APD130的增益在全工作温度范围内的稳定，如此利于实现激光雷达的探测性能一致性。
在一些实施例中，继续参照图2，该APD的最优增益确定装置10还包括：处理器170，处理器170连接APD130、放大器140、温度调节部件150以及偏压调节部件160，用于获取APD130在多个不同的目标温度下最优增益分别关联的偏压，并根据多个不同的目标温度和对应的偏压确定APD130在工作温度范围内的各不同温度下达到最优增益的偏压。
其中，APD130的最优增益为固定值时，APD130工作在不同的目标温度会关联不同的偏压。本公开实施例中，处理器170可获取APD130在固定的最优增益下，在不同的目标温度下的偏压。其中，由于目标温度可间断(即不连续)，因此对于未直接获取到的工作温度关联的偏压，可基于处理器170进行数据处理来确定工作温度范围内的未直接获取到的任意工作温度关联的偏压，由此得到任意最优增益下的温度与偏压的关联关系，且利于实现在工作温度范围内对不同温度的全面覆盖。
本公开实施例提供的APD的最优增益确定装置10中，可采用固定强度的参考光源110提供噪声源，该噪声源出射的具有目标强度的光线通过接收链路120照射到APD130上，APD130输出的光电流经过固定增益放大器140输出监控电压，依据该监控电压确定APD130的最优增益，且通过APD130在不同目标温度下对应于该监控电压(对应最优增益)调控APD130的偏压，实现APD130的增益在全工作温度范围内的稳定，从而利于提升激光雷达的测距性能。
基于同一发明构思，本公开实施例还提供了一种APD的最优增益确定方法，该方法可基于上述实施方式提供的任一种APD的最优增益确定装置执行，具有对应的技术效果。
示例性地，图3为本公开实施例提供的一种APD的最优增益确定方法的流程示意图。参照图3，该方法可包括如下步骤：
S310、获取参考光源发出具有目标强度的光线。
其中，参考光源提供噪声源，能够发出具有目标强度(即固定功率)的光线。该具有目标强度的光线用于模拟光噪声。该步骤中，获取目标强度的光线，相当于获取噪声信号。
S320、基于APD接收到的经由接收链路传输的光线，生成对应的光电流；接收链路用于模拟激光雷达的接收回路的光学链路。
其中，S310中的光噪声经过接收链路之后照射到APD上，APD接收该光噪声并基于光电效应生成对应的光电流。其中接收链路模拟待标定的激光雷达的接收回路，为光学链路，也可直接采用待标定激光雷达的接收回路，在此不限定。本技术方案也可理解为针对APD的任意最优增益，在不同工作温度下的偏压标定方法。
S330、基于放大器输出对应于光电流的监控电压。
其中，对APD进行偏压调节，使光电流为放大器的饱和电流的1/N，此时APD的增益为最优增益；其中，N为激光雷达的噪声比例系数，饱和电流对应的监控电压为激光雷达的接收阈值。
本公开实施例中，由于放大器的饱和电流为固定值，且噪声源对应的APD的光电流为放大器的饱和电流的1/N，则噪声源对应的光电流也为固定值，而非随温度变化的值，由此，APD在不同温度下的增益可为任意固定值，对应激光雷达的探测一致性较好；同时，饱和电流对应的为监控电压为激光雷达的接收阈值，也避免了APD增益过大而导致的信号失真的问题，有利于提升探测精准度。
在一些实施例中，该APD的最优增益确定方法还包括：
获取APD的温度；
基于温度和偏压，得到当前温度下最优增益关联的偏压。
其中，APD的增益与偏压和温度均关联，为了使APD在不同温度下的增益保持一致，需要得到APD在任意最优增益下，温度与偏压的关联关系，例如映射表格。本实施例中，得到了单点温度对应的偏压。其中，基于温度和偏压，得到当前温度下最优增益关联的偏压，也可理解为在APD的最优增益下，得到当前温度关联的偏压。
本公开实施例中，雷达接收阈值可为放大器饱和电流对应的电压的1/5；即在激光雷达的光线发射端(例如激光器)不发光的状态下，用参考光源(例如光照仪)发射固定功率的光线照射待标定雷达的信号接收端，该固定功率的光向对应雷达设计抵抗干扰的指标，该光线经过接收链路(例如包括前面板、转镜、接收镜头、柱透镜、滤光片等器件)部分905nm波长的光线到达APD，使APD产生光电流，该光电流随APD的增益改变，通过调节APD的偏压来调节APD的增益；经过放大器产生监控电压，调节APD的偏压使APD输出的光电流为放大器的饱和电流的1/5(取决于雷达设计的极限距离)，剩下的4/5留给正常测量信号；此时的监控电压为雷达接收阈值。
在确定接收阈值之后，可确定APD的最优增益的值。具体地，光照仪的工作参数不变，在固定温度下，调节APD的偏压，使放大器输出的监控电压为雷达接收阈值，依据APD的设计参数、固定温度下的雪崩偏压和APD真实使用偏压可计算APD的增益。
在一些实施例中，该APD的最优增益确定方法还包括：
获取APD的第一设计参数、第二设计参数、最优增益下的偏压以及雪崩偏压；
基于第一设计参数、第二设计参数、偏压以及雪崩偏压，采用第一公式计算最优增益；
其中，第一公式为：
M＝a/[eb×(Vapd-Vbr)-1]；
其中，a代表第一设计参数，b代表第二设计参数，Vapd代表偏压，Vbr代表雪崩偏压。
其中，a和b均为APD的设计参数，为常量，具体可为由APD供应商提供的固定值；Vapd为APD在当前工作温度下真实使用的偏压，Vbr为APD在当前工作温度下的雪崩偏压。
在一些实施例中，该APD的最优增益确定方法还包括：
获取APD的性能参数、最优增益下的偏压、放大器的电阻值和输出电流；
基于性能参数、偏压、电阻值和输出电流，采用第二公式计算最优增益；
其中，第二公式为：
M＝I/{[1-(Vapd-IRs)/Vbr]m}；
其中，m代表APD的性能参数，由APD的材料和结构决定，I代表放大器的输出电流，Rs代表放大器的电阻值，Vapd代表偏压，即APD在当前工作温度下真实使用的偏压，Vbr代表雪崩偏压，即APD在当前工作温度下的雪崩偏压。
在一些实施例中，该APD的最优增益确定方法还包括：
获取APD稳定在最优增益后的光电流的平均值；
获取APD在最优增益下未接受光线照射时的暗电流；
基于光电流的平均值和暗电流，采用第三公式计算最优增益；
其中，第三公式为：
M＝Im/Ip；
其中，Im代表暗电流，即APD在暗室环境下APD输出的电流；Ip代表光电流的平均值，即增益稳定后APD在一段时间内输出的电流的平均值。
在一些实施例中，该APD的最优增益确定方法还包括：
在APD的工作温度范围内，获取APD多次调节后对应的多个不同的目标温度；
在每个目标温度下调节APD的偏压，使APD的增益保持为最优增益。
具体地，结合前文，可基于温度调节部件对APD进行温度调节，并监测APD的目标温度，以及将目标温度传输至处理器，处理器获取该多个不同的目标温度。偏压调节部件可对APD的偏压进行调节，处理器可获取每个目标温度下的APD的偏压，以便后续步骤中确定APD在任意固定增益下偏压和温度的关联关系。
本公开实施例中，在APD保持任意固定值的最优增益下，实现温度与偏压之间关联关系的标定，以获取在雷达工作温度范围内保证APD增益值不变的偏压值。
其中，变化量可为APD在工作温度范围内的不同目标温度；不变量可包括参考光源的目标强度(即固定功率)和标定环境参数；监测量可为放大器输出的监控电压，调控量为APD的偏压。
具体地，可控制温度调节部件(例如温控台)，使APD的目标温度到工作温度起始值，即工作温度范围内的最低温度值；然后，调节APD的偏压，并监测放大器输出的监控电压，该监控电压值随APD偏压的增大而增大，减小而减小；当放大器输出的电压和接收阈值一致时，记录一组温度和偏压的关联数据；继续调节温度，使APD温度上升3℃并稳定在该目标温度，重复上述APD偏压调节和放大器监控电压监测的过程，在监控电压等于接收阈值时，记录温度和偏压的关联数据；继续调节温度，并重复上述过程，直至APD温度超过工作温度最大值，即工作温度范围内的最高值。由此利于实现APD在工作温度范围内的不同目标温度下，通过偏压调节，保持增益一致，从而有利于提升激光雷达的性能一致性。
在一些实施例中，在每个目标温度下调节APD的偏压，使APD的增益保持为最优增益，包括：
调节APD的偏压；
获取调节后的偏压下放大器输出的监控电压；
判断监控电压与接收阈值是否一致；
在监控电压与接收阈值一致时，确定APD的增益为最优增益；
在监控电压与接收阈值不一致时，继续执行调节操作以调节APD的偏压。
具体地，监控电压随偏压变化，由此在每个目标温度下，均可通过调节APD偏压，使放大器输出的监控电压与接收阈值一致，例如监控电压与接收阈值相等，从而APD在不同温度下对相同噪声信号的最优增益保持一致，有利于提升激光雷达的性能一致性。
在一些实施例中，该APD的最优增益确定方法还包括：
获取APD在多个不同的目标温度下保持最优增益所关联的偏压；
根据多个不同的目标温度和对应的偏压确定APD在工作温度范围内的各不同温度下达到最优增益的偏压。
具体地，可处理记录APD在工作温度范围内达到最优增益时的多组温度关联偏压的数据，通过记录的温度关联偏压的数据，可形成具备映射关系的表格，通过查表中的温度，即可确定APD达到最优增益的偏压。上述具有映射关系的表格中，部分温度-偏压数据可通过监测直接得到，未直接通过监测得到的可通过数据处理过程得到。
在一些实施例中，多个不同的目标温度间断设置；
其中，根据多个不同的目标温度和对应的偏压确定APD在工作温度范围内的各不同温度下达到最优增益的偏压，包括：
在大小相邻的两组目标温度之间，利用函数插值的方式，确定中间温度对应的偏压。
示例性地，两组数据之间可采用一次或多次函数插值，实现工作温度范围内APD最优增益下的偏压的获取，其中，通过一次或多次函数差值处理离散温度，在此不限定。
在上述实施方式的基础上，本公开实施例还提供了一种APD的控制方法，该控制方法可实现在激光探测过程中，通过基于当前工作温度对APD的偏压进行调节，使其保持在匹配放大器饱和电流的最优增益下，从而利于提升激光雷达的测距性能。
示例性地，图4为本公开实施例提供的一种APD的控制方法的流程示意图。参照图4，该控制方法可包括如下步骤：
S410、获取APD的当前工作温度。
示例性地，APD的当前工作温度可通过对APD的温度进行监测得到，例如可在APD的表面或附近一定距离范围内设置温度传感器，以基于该温度传感器得到APD的当前工作温度。
S420、基于APD的当前工作温度，结合最优增益下偏压与温度之间的关联关系，确定最优增益下该温度关联的目标偏压。
其中，关联关系基于上述实施方式提供的任一种方法确定，可呈现为具有映射关系的表格。
其中，上述实施方式提供的最优增益的确定方法可基于直接测量以及插值处理确定任一固定最优增益下偏压与温度之间的关联关系。示例性地，最优增益可为任意固定的最优增益，单次探测过程中，可通过偏压调节保持增益一致，从而提升激光雷达的探测性能一致性。
该步骤中，可通过查表确定最优增益下该温度关联的目标偏压。
S430、将APD的偏压调节至目标偏压。
示例性地，通过偏压调节部件可将APD的偏压调节至目标偏压，即最优增益下当前工作温度关联的偏压，以确保增益一致。
本公开实施例提供的控制方法，可实现在激光探测过程中，通过获取APD的当前工作温度，并基于当前工作温度对APD的偏压进行调节，使其保持在匹配放大器饱和电流的最优增益下，从而利于提升激光雷达的测距性能。
在上述实施方式的基础上，本公开实施例还提供了一种APD的控制装置，该控制装置能够执行上述实施方式提供的任一种控制方法的步骤，具有对应的技术效果。
示例性地，图5为本公开实施例提供的一种APD的控制装置的结构示意图。参照图5，该控制装置50可包括：温度获取模块510，用于获取APD的当前工作温度；偏压确定模块520，用于基于APD的当前工作温度，结合最优增益下偏压与温度之间的关联关系，确定最优增益下该温度关联的目标偏压；偏压调节模块530，用于将APD的偏压调节至目标偏压；其中，关联关系基于上述实施方式提供的任一种最优增益确定方法而确定。
本公开实施例提供的控制装置，可实现在激光探测过程中，通过获取APD的当前工作温度，并基于当前工作温度对APD的偏压进行调节，使其保持在匹配放大器饱和电流的最优增益下，从而利于提升激光雷达的测距性能。
在上述实施方式的基础上，本公开实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述实施方式提供的任一种控制方法的步骤，实现对应的技术效果。
在上述实施方式的基础上，本公开实施例还提供了一种APD，该APD的最优增益基于上述实施方式提供的任一种最优增益确定方法而确定；或者该APD基于上述实施方式提供的任一种控制方法进行控制，具有对应的技术效果。
在上述实施方式的基础上，本公开实施例还提供了一种激光雷达，包括上述实施方式提供的任一种APD，能够实现对应的技术效果。
在一些实施例中，图6为本公开实施例提供的一种激光雷达的结构示意图。参照图6，该激光雷达60还包括：光线发射端610，用于发射探测光线；接收回路620，用于接收探测光线被物体600反射回的回波光线，并传输至APD130；放大器140，与APD130连接；放大器140用于将APD130生成的光电流放大为监控电压；处理器170，用于基于监控电压生成回波接收时间。
其中，光线发射端610可包括激光器和发射端光学链路，发射端光学链路可与接收回路分离设置，也可公共至少部分光学元件，在此不限定。
本公开实施例中，光线发射端610发出探测光线，物体600对探测光线进行反射生成回波光线，回波光线经过接收回路620之后照射到APD130，APD130进行光电转换生成光电流，并传输至放大器140，放大器140对光电流进行进一步放大生成监控电压，处理器170根据该监控电压的脉冲，得到回波接收时间；进一步的，处理器170还可连接光线发射端610，获取探测光线发射时间，并结合回波接收时间，确定光线飞行时长；进一步结合光速确定距离，实现测距。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (17)

1.一种APD的最优增益确定装置，其特征在于，包括：
参考光源，用于发出具有目标强度的光线；
接收链路，用作激光雷达的接收回路的等效光学链路，所述光线通过所述接收链路传输；
APD以及与所述APD连接的放大器；所述APD用于接收经由所述接收链路传输的光线，并生成对应的光电流；所述放大器用于基于所述光电流生成放大后的监控电压；
其中，所述APD基于偏压调节，输出的所述光电流为所述放大器的饱和电流的1/N；其中，N为所述激光雷达的噪声比例系数，所述饱和电流对应的所述监控电压为所述激光雷达的接收阈值，此时APD的增益为最优增益。
2.根据权利要求1所述的APD的最优增益确定装置，其特征在于，还包括：
温度调节部件，用于在APD的工作温度范围内，将所述APD的温度调节至多个不同的目标温度；
偏压调节部件，用于在每个所述目标温度下调节所述APD的偏压，使所述APD的增益保持为最优增益。
3.根据权利要求2所述的APD的最优增益确定装置，其特征在于，还包括：
处理器，用于获取所述APD在所述多个不同的目标温度下最优增益分别关联的偏压，并根据所述多个不同的目标温度和对应的偏压确定所述APD在工作温度范围内的各不同温度下达到最优增益的偏压。
4.一种APD的最优增益确定方法，其特征在于，包括：
获取参考光源发出具有目标强度的光线；
基于APD接收到的经由接收链路传输的光线，生成对应的光电流；所述接收链路用于模拟激光雷达的接收回路的光学链路；
基于放大器输出对应于所述光电流的监控电压；
其中，对所述APD进行偏压调节，使所述光电流为所述放大器的饱和电流的1/N，此时所述APD的增益为最优增益；其中，N为所述激光雷达的噪声比例系数，所述饱和电流对应的所述监控电压为所述激光雷达的接收阈值。
5.根据权利要求4所述的APD的最优增益确定方法，其特征在于，还包括：
获取所述APD的温度；
基于所述温度和所述偏压，得到当前温度下最优增益关联的偏压。
6.根据权利要求5所述的APD的最优增益确定方法，其特征在于，还包括：
在APD的工作温度范围内，获取所述APD多次调节后对应的多个不同的目标温度；
在每个所述目标温度下调节所述APD的所述偏压，使所述APD的增益保持为最优增益。
7.根据权利要求6所述的APD的最优增益确定方法，其特征在于，所述在每个所述目标温度下调节所述APD的偏压，使所述APD的增益保持为最优增益，包括：
调节所述APD的偏压；
获取调节后的偏压下所述放大器输出的监控电压；
判断所述监控电压与所述接收阈值是否一致；
在所述监控电压与所述接收阈值一致时，确定所述APD的增益为最优增益；
在所述监控电压与所述接收阈值不一致时，继续执行调节操作以调节所述APD的偏压。
8.根据权利要求6所述的APD的最优增益确定方法，其特征在于，还包括：
获取所述APD在所述多个不同的目标温度下保持最优增益所关联的偏压；
根据所述多个不同的目标温度和对应的偏压确定所述APD在工作温度范围内的各不同温度下达到最优增益的偏压。
9.根据权利要求8所述的APD的最优增益确定方法，其特征在于，所述多个不同的目标温度间断设置；
其中，所述根据所述多个不同的目标温度和对应的偏压确定所述APD在工作温度范围内的各不同温度下达到最优增益的偏压，包括：
在大小相邻的两组目标温度之间，利用函数插值的方式，确定中间温度对应的偏压。
10.根据权利要求4所述的APD的最优增益确定方法，其特征在于，还包括：
获取所述APD的第一设计参数、第二设计参数、最优增益下的偏压以及雪崩偏压；
基于所述第一设计参数、所述第二设计参数、所述偏压以及所述雪崩偏压，采用第一公式计算所述最优增益；
其中，所述第一公式为：
M＝a/[eb×(Vapd-Vbr)-1]；
其中，a代表第一设计参数，b代表第二设计参数，Vapd代表偏压，Vbr代表雪崩偏压。
11.根据权利要求4所述的APD的最优增益确定方法，其特征在于，还包括：
获取所述APD的性能参数、最优增益下的偏压、所述放大器的电阻值和输出电流；
基于所述性能参数、所述偏压、所述电阻值和所述输出电流，采用第二公式计算所述最优增益；
其中，所述第二公式为：
M＝1/{[1-(Vapd-IRs)/Vbr]m}；
其中，m代表APD的性能参数，I代表输出电流，Rs代表放大器的电阻值，Vapd代表偏压，Vbr代表雪崩偏压。
12.根据权利要求4所述的APD的最优增益确定方法，其特征在于，还包括：
获取所述APD稳定在最优增益后的所述光电流的平均值；
获取所述APD在最优增益下未接受光线照射时的暗电流；
基于所述光电流的平均值和所述暗电流，采用第三公式计算所述最优增益；
其中，所述第三公式为：
M＝Im/Ip；
其中，Im代表暗电流，Ip代表光电流的平均值。
13.一种APD的控制方法，其特征在于，包括：
获取APD的当前工作温度；
基于所述APD的当前工作温度，结合最优增益下偏压与温度之间的关联关系，确定最优增益下该温度关联的目标偏压；
将所述APD的偏压调节至所述目标偏压；
其中，所述关联关系基于权利要求4-12任一项所述的方法确定。
14.一种APD的控制装置，其特征在于，包括：
温度获取模块，用于获取APD的当前工作温度；
偏压确定模块，用于基于所述APD的当前工作温度，结合最优增益下偏压与温度之间的关联关系，确定最优增益下该温度关联的目标偏压；
偏压调节模块，用于将所述APD的偏压调节至所述目标偏压；
其中，所述关联关系基于权利要求4-12任一项所述的方法确定。
15.一种APD，其特征在于，所述APD的最优增益基于权利要求4-12任一项所述的方法确定；或者所述APD基于权利要求13所述的方法进行控制。
16.一种激光雷达，其特征在于，包括权利要求15所述的APD。
17.根据权利要求16所述的激光雷达，其特征在于，还包括：
光线发射端，用于发射探测光线；
接收回路，用于接收探测光线被物体反射回的回波光线，并传输至所述APD；
放大器，与所述APD连接；所述放大器用于将所述APD生成的光电流放大为监控电压；
处理器，用于基于所述监控电压生成回波接收时间。
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