CN214067373U

CN214067373U - 一种基于硅光电倍增管的激光雷达

Info

Publication number: CN214067373U
Application number: CN202022993953.6U
Authority: CN
Inventors: 冯宇翔; 宋东升; 张强; 付晨; 张小富
Original assignee: Shandong Free Optics Technology Co ltd
Current assignee: Shandong Free Optics Technology Co ltd
Priority date: 2020-12-14
Filing date: 2020-12-14
Publication date: 2021-08-27
Anticipated expiration: 2030-12-14

Abstract

本实用新型涉及一种基于硅光电倍增管的激光雷达，属于雷达技术领域，解决了现有技术中如何提高激光雷达的探测距离的问题。该雷达包括激光器、发射光学系统、转镜、接收光学系统、窄带滤光片以及硅光电倍增管探测器；所述激光器发射的激光通过所述发射光学系统以及转镜传播后照射目标；目标反射的激光回波信号通过所述转镜、所述接收光学系统以及所述窄带滤光片后到所述硅光电倍增管探测器；所述窄带滤光片位于所述接收光学系统以及所述硅光电倍增管探测器之间的光路上。本实用新型的技术方案实现了激光雷达的远距离探测。

Description

一种基于硅光电倍增管的激光雷达

技术领域

本实用新型涉及雷达技术领域，尤其涉及一种基于硅光电倍增管的激光雷达。

背景技术

相比传统雷达技术，激光雷达以高测量精度、高分辨率、高灵敏度以及远探测距离成为重要的主动遥感工具，可以实现精确测距、精确测速和精确跟踪，广泛应用在军事、环境监测、智能交通等方面，并在自动驾驶、机器人、虚拟现实等热门领域展示出良好的发展前景。

当前激光雷达要想实现远距离探测，需要从两个方面考虑，第一，保持激光脉宽不变提高发射功率，发射峰值功率越高，打到目标物体返回能量就越高，单发射功率不能无限提高，因为需要满足人眼安全等级要求，即单脉冲能量应小于250nJ，脉冲能量＝脉冲峰值功率*脉冲宽度；第二，在脉冲能量一定的情况下，可以通过减小脉冲宽度来实现峰值功率的提高，但随着脉宽的降低，其驱动成本和激光器成本都会升高，所以也会进一步限制通过提高发射功率来提高探测距离的可能。

因此，为了解决如何提高激光雷达的探测距离的问题，本实用新型提供一种基于硅光电倍增管的激光雷达。

实用新型内容

鉴于上述的分析，本实用新型旨在提供一种基于硅光电倍增管的激光雷达，用以解决现有如何提高激光雷达的探测距离的问题。

本实用新型的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本实用新型提供一种基于硅光电倍增管的激光雷达，包括激光器、发射光学系统、转镜、接收光学系统、窄带滤光片以及硅光电倍增管探测器；

所述激光器发射的激光通过所述发射光学系统以及转镜传播后照射目标；

目标反射的激光回波信号通过所述转镜、所述接收光学系统以及所述窄带滤光片后到所述硅光电倍增管探测器；

所述窄带滤光片位于所述接收光学系统以及所述硅光电倍增管探测器之间的光路上。

进一步，所述硅光电倍增管探测器包括硅光电倍增管阵列。

进一步，所述硅光电倍增管阵列中的每个硅光电倍增管为m*n的二维微元阵列，每个微元包括单光子雪崩二极管、猝灭电阻以及电容，m为微元的行数，n为微元的列数；

淬灭电阻的一端分别与单光子雪崩二极管的阳极和电容的一端连接；

每个微元中的单光子雪崩二极管的阴极连接到一起形成所述硅光电倍增管的阴极，每个微元中的淬灭电阻的另一端连接到一起形成所述硅光电倍增管的阳极，所述微元中的电容的另一端连接到一起形成所述硅光电倍增管的快速输出端，所述快速输出端用于输出由光信号转换而来的电信号。

进一步，所述激光雷达还包括LD驱动电路、时刻鉴别电路和信号处理电路；

所述LD驱动电路用于驱动所述激光器发射激光，所述LD驱动电路的输出端与所述时刻鉴别电路的第一输入端电连接；

所述信号处理电路的输入端与所述硅光电倍增管探测器的快速输出端电连接；所述信号处理电路的输出端与所述时刻鉴别电路的第二输入端电连接。

进一步，所述LD驱动电路包括充电电阻、储能电容、脉冲驱动信号源以及MOS管；

所述充电电阻的一端与外部驱动电源连接，所述充电电阻的另一端与储能电容的一端以及激光器的阳极连接，所述储能电容的另一端接地；

所述激光器的阴极与所述MOS管的漏极连接；

所述脉冲驱动信号源的正极与所述MOS管的栅极连接，所述脉冲驱动信号源的负极与所述MOS管的源极连接并且接地。

进一步，所述时刻鉴别电路包括：第一比较器、第二比较器以及时间测量芯片：

所述第一比较器的输入端与所述时刻鉴别电路的第一输入端连接，所述第一比较器的输出端与所述时间测量芯片的第一输入端连接，所述第一比较器的输出端输出开始计时信号；

所述第二比较器的输入端与所述时刻鉴别电路的第二输入端连接，所述第二比较器的输出端与所述时间测量芯片的第二输入端连接，所述第二比较器的输出端输出停止计时信号；

所述时间测量芯片的输出端用于输出时长信号。

进一步，所述激光器为垂直腔面发射激光器。

进一步，所述发射光学系统为准直透镜组，所述接收光学系统为环形接收镜。

进一步，所述准直透镜组包括多个非球面镜，所述非球面镜的两侧覆盖有940nm增透膜。

进一步，所述非球面镜的材料为K9，直径为10-11nm，厚度为5-6mm。

与现有技术相比，本实用新型至少可实现如下有益效果：

本申请通过将硅光电倍增管作为激光雷达中的探测器，从雷达的接收角度进行优化，实现了激光雷达的远距离探测；进一步采用硅光电倍增管阵列作为探测器，相对于单个硅光电倍增管作为探测器，进一步提高了激光雷达的探测能力。

本实用新型中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本实用新型的其他特征和优点将在随后的内容中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过文字以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本实用新型的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本申请一个实施例基于硅光电倍增管的激光雷达的结构示意图；

图2为本申请一个实施例硅光电倍增管结构示意图；

图3为本申请一个实施例LD驱动电路结构示意图；

图4为本申请一个实施例时刻鉴别电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理，并非用于限定本实用新型的范围。

本实用新型的一个具体实施例，公开了一种基于硅光电倍增管的激光雷达，如图1所示。该激光雷达包括激光器、发射光学系统、转镜、接收光学系统、窄带滤光片以及硅光电倍增管探测器；所述激光器发射的激光通过所述发射光学系统以及转镜传播后照射目标；目标反射的激光回波信号通过所述转镜、所述接收光学系统以及所述窄带滤光片后到所述硅光电倍增管探测器；所述窄带滤光片位于所述接收光学系统以及所述硅光电倍增管探测器之间的光路上。

与现有技术相比，本实施例通过将硅光电倍增管作为激光雷达中的探测器，硅光电倍增管具有较高的增益以及响应度，从接收角度对探测器进行优化，实现了激光雷达的远距离探测。

在一个具体的实施例中，硅光电倍增管探测器包括硅光电倍增管阵列。

具体的，硅光电倍增管阵列包括至少两个硅光电倍增管。

本实施例进一步采用硅光电倍增管阵列作为探测器，相对于单个硅光电倍增管作为探测器，进一步提高了激光雷达的探测能力。

在一个具体的实施例中，所述硅光电倍增管阵列中的每个硅光电倍增管为m*n的二维微元阵列，每个微元包括单光子雪崩二极管、猝灭电阻以及电容，m为微元的行数，n为微元的列数；

每个微元中的单光子雪崩二极管的阴极连接到一起形成所述硅光电倍增管的阴极，每个微元中的淬灭电阻的另一端连接到一起形成所述硅光电倍增管的阳极，所述微元中的电容的另一端连接到一起形成所述硅光电倍增管的快速输出端，所述快速输出端用于输出由光信号转换而来的电信号。优选的，m＝4、n＝3。

具体的，请参见图2，图2所示硅光电倍增管为3*4的二维微元阵列，每个微元的示意图参见图2右上角部分，整个硅光电倍增管的示意图参见图2右下角部分。每个微元包括单光子雪崩二极管、淬灭电阻以及电容；淬灭电阻的一端分别与单光子雪崩二极管的阳极以及电容的一端连接；单光子雪崩二极管的阴极连接到一起形成硅光电倍增管的阴极，淬灭电阻的另一端连接到一起形成硅光电倍增管的阳极，电容的另一端连接到一起形成硅光电倍增管的快速输出端，快速输出端用于输出由光信号转换而来的电信号。具体的，该光信号为目标反射的激光回波信号通过转镜、接收光学系统以及窄带滤光片后达到硅光电倍增管探测器的激光回波信号。硅光电倍增管内部自带淬灭电阻的结构，可以省去外部再单独配置，从而节约电路板空间。

在一个具体的实施例中，请继续参见图1，所述激光雷达还包括LD驱动电路、时刻鉴别电路和信号处理电路；所述LD驱动电路用于驱动所述激光器发射激光，所述LD驱动电路的输出端与所述时刻鉴别电路的第一输入端电连接；所述信号处理电路的输入端与所述硅光电倍增管探测器的快速输出端电连接；所述信号处理电路的输出端与所述时刻鉴别电路的第二输入端电连接。

具体的，LD驱动电路用于驱动激光器发射激光；信号处理电路将硅光电倍增管探测器输出的电信号提取并输出到时刻鉴别电路；时刻鉴别电路输出时长信号给主控单元(FPGA)，该时长信号包括激光发射时刻以及返回时刻的时间差Δt，进而根据公式d＝Δt*c得到目标距离，其中d为激光雷达到目标的距离的2倍，c为光速。

在一个具体的实施例中，请参见图3，激光器为半导体发光二极管，所述LD驱动电路包括充电电阻、储能电容、脉冲驱动信号源以及MOS管；所述充电电阻的一端与外部驱动电源连接，所述充电电阻的另一端与储能电容的一端以及激光器的阳极连接，所述储能电容的另一端接地；所述激光器的阴极与所述MOS管的漏极连接；所述脉冲驱动信号源的正极与所述MOS管的栅极连接，所述脉冲驱动信号源的负极与所述MOS管的源极连接并且接地。

进一步的，外部驱动电源为直流高压驱动电源，MOS管为高速MOS管。LD驱动电路驱动激光器的具体过程为：外部驱动电源提供一直流电压通过充电电阻给储能电容充电，在储能电容充满电后，脉冲驱动信号源给出驱动信号打开高速MOS管，使储能电容储存的电荷经过激光器、高速MOS管释放到地，激光器发射出激光。

在一个具体的实施例中，请参见图4，所述时刻鉴别电路包括：第一比较器、第二比较器以及时间测量芯片：所述第一比较器的输入端与所述时刻鉴别电路的第一输入端连接，所述第一比较器的输出端与所述时间测量芯片的第一输入端连接，所述第一比较器的输出端输出开始计时信号；所述第二比较器的输入端与所述时刻鉴别电路的第二输入端连接，所述第二比较器的输出端与所述时间测量芯片的第二输入端连接，所述第二比较器的输出端输出停止计时信号；所述时间测量芯片的输出端用于输出时长信号；具体的，时间测量芯片可以为TDC_GP2。

具体的，LD驱动电路输出端输出使得激光器发光的第一电压信号至第一比较器的输入端，第一电压即为储能电容由充满状态到放空状态的电压改变量，第一比较器将接收的第一电压与第一电压阈值进行比较，当第一电压大于第一电压阈值时，确认激光器在此时刻发光，并通过输出端输出开始计时信号给时间测量芯片；可选的，第一电压阈值为100mV；信号处理电路基于硅光电倍增管探测器产生的电流信号生成第二电压信号，并通过信号处理电路的输出端将第二电压信号输出给第二比较器的输入端，第二比较器将接收到的第二电压与第二电压阈值进行比较，当第二电压大于第二电压阈值时，第二比较器的输出端输出停止计时信号到时间测量芯片；可选的，第二电压阈值为200mV；该时间测量芯片通过计算接收开始计时信号以及停止计时信号的时间差，产生时长信号并输出至主控单元。

在一个具体的实施例中，激光器为垂直腔面发射激光器。

在一个具体的实施例中，发射光学系统为准直透镜组，接收光学系统为环形接收镜。

在一个具体的实施例中，准直透镜组包括多个非球面镜，每个非球面镜的两侧覆盖有940nm的增透膜。进一步的，非球面镜的材料为K9，直径为10-11nm，厚度为5-6nm。

在一个具体的实施例中，窄带滤光片的中心波长为940nm。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种基于硅光电倍增管的激光雷达，其特征在于，包括激光器、发射光学系统、转镜、接收光学系统、窄带滤光片以及硅光电倍增管探测器；

2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述硅光电倍增管探测器包括硅光电倍增管阵列。

3.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述硅光电倍增管阵列中的每个硅光电倍增管为m*n的二维微元阵列，每个微元包括单光子雪崩二极管、猝灭电阻以及电容，m为微元的行数，n为微元的列数；

4.根据权利要求3所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括LD驱动电路、时刻鉴别电路和信号处理电路；

5.根据权利要求4所述的激光雷达，其特征在于，所述LD驱动电路包括充电电阻、储能电容、脉冲驱动信号源以及MOS管；

所述激光器的阴极与所述MOS管的漏极连接；

6.根据权利要求5所述的激光雷达，其特征在于，所述时刻鉴别电路包括：第一比较器、第二比较器以及时间测量芯片：

所述时间测量芯片的输出端用于输出时长信号。

7.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述激光器为垂直腔面发射激光器。

8.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述发射光学系统为准直透镜组，所述接收光学系统为环形接收镜。

9.根据权利要求8所述的激光雷达，其特征在于，所述准直透镜组包括多个非球面镜，所述非球面镜的两侧覆盖有940nm增透膜。

10.根据权利要求9所述的激光雷达，其特征在于，所述非球面镜的材料为K9，直径为10-11nm，厚度为5-6mm。