CN217133545U

CN217133545U - 基于激光雷达的计时装置

Info

Publication number: CN217133545U
Application number: CN202221044825.XU
Authority: CN
Inventors: 师翔; 李军建; 赵永瑞; 曲韩宾; 贾东东
Original assignee: Hebei Xinhuabei Integrated Circuit Co ltd
Current assignee: Hebei Xinhuabei Integrated Circuit Co ltd
Priority date: 2022-04-29
Filing date: 2022-04-29
Publication date: 2022-08-05
Anticipated expiration: 2032-04-29

Abstract

本实用新型提供一种基于激光雷达的计时装置，包括：信号发生模块、脉冲减窄模块、计时模块和激光驱动模块；信号发生模块同时产生第一脉冲信号和第二脉冲信号；第一脉冲输出端口分别连接脉冲减窄模块的输入端口和计时模块的第一端口；第二脉冲输出端口连接计时模块的第二端口；脉冲减窄模块的输出端口连接激光驱动模块的输入端口，用于将第一脉冲信号的脉宽缩减至设定范围生成第三脉冲信号，并输出第三脉冲信号至激光驱动模块，以控制激光驱动模块产生脉冲光信号；计时模块的第三端口输入脉冲光信号的回波信号，用于根据第一脉冲信号、第二脉冲信号和回波信号对激光雷达的飞行时间进行计时。本实用新型能够降低计时结果误差。

Description

基于激光雷达的计时装置

技术领域

本实用新型涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种基于激光雷达的计时装置。

背景技术

随着激光雷达应用的普及，激光雷达小型化、功能化的趋势越来越明显，减少主板电路的元器件不仅可以降低成本，还能缩小空间，为更好的光机设计提供更广阔的思维导向。激光雷达系统中计时芯片普遍采用GP22，因其stop1信号需滞后于start信号，相应的计时模块中在主处理芯片与计时电路之间具有延时或缓冲电路，这样信号的滞后是通过多路反相器或单稳态电路等方式实现，通过硬件电路实现的延时大多在5ns以内，对于GP22芯片计时检测的时序比较临界，尤其一些信号质量较差的脉冲信号往往会出现计时偏差或计时错误。另一方面，传统的激光雷达系统中，对计时的测量是通过回波信号与激光驱动信号之间的时间差作为结果的，但由于激光驱动信号的上升沿存在一定的离散不稳定性，导致测量的结果随机误差偏大。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种基于激光雷达的计时装置，以解决现有激光雷达系统计时结果误差大的问题。

本实用新型实施例提供了一种基于激光雷达的计时装置，包括：信号发生模块、脉冲减窄模块、计时模块和激光驱动模块；

其中，所述信号发生模块包括第一脉冲输出端口和第二脉冲输出端口；所述信号发生模块同时产生第一脉冲信号和第二脉冲信号；

所述第一脉冲输出端口分别连接所述脉冲减窄模块的输入端口和所述计时模块的第一端口；所述第二脉冲输出端口连接所述计时模块的第二端口；

所述脉冲减窄模块的输出端口连接所述激光驱动模块的输入端口，用于将所述第一脉冲信号的脉宽缩减至设定范围生成第三脉冲信号，并输出所述第三脉冲信号至所述激光驱动模块，以控制所述激光驱动模块产生脉冲光信号；

所述计时模块的第三端口输入所述脉冲光信号的回波信号，用于根据所述第一脉冲信号、所述第二脉冲信号和所述回波信号对激光雷达的飞行时间进行计时。

在一种可能的实现方式中，所述脉冲减窄模块包括：与门芯片、电阻和可变电容；所述与门芯片包括第一输入端口、第二输入端口和输出端口；

所述第一脉冲输出端口连接所述第一输入端口和所述电阻的一端；所述电阻另一端连接所述第二输入端口；所述电阻另一端与所述输出端口之间连接所述可变电容；

所述输出端口连接所述激光驱动模块。

在一种可能的实现方式中，所述信号发生模块包括ARM控制电路；所述ARM控制电路包括定时器，用于产生所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号。

在一种可能的实现方式中，所述第一脉冲信号和第二脉冲信号为单一正脉冲信号。

在一种可能的实现方式中，所述第一脉冲信号的脉宽大于所述第二脉冲信号的脉宽；且所述第一脉冲信号的脉宽和所述第二脉冲信号的脉宽大于脉宽阈值。

在一种可能的实现方式中，所述第二脉冲信号的上升沿滞后于所述第一脉冲信号的上升沿。

在一种可能的实现方式中，所述第二脉冲信号的下降沿时刻与所述第一脉冲信号的下降沿时刻相同。

在一种可能的实现方式中，所述第二脉冲信号的上升沿滞后时间大于设定时长。

在一种可能的实现方式中，所述第三脉冲信号的下降沿时刻与所述第一脉冲信号的下降沿时刻相同。

在一种可能的实现方式中，所述计时模块为计时芯片电路，可选的，计时芯片电路为GP22计时芯片电路。

本实用新型实施例提供一种基于激光雷达的计时装置，通过计时装置包括信号发生模块、脉冲减窄模块、计时模块和激光驱动模块的设计。信号发生模块同时产生第一脉冲信号和第二脉冲信号，并直接通过对应的输出端口输出至计时模块中，减少了中间延时电路或缓冲电路，使电路简单，易于实现。脉冲减窄模块允许信号发生模块产生宽脉冲的脉冲信号，减小了对信号发生模块的性能要求，降低了成本。计时模块计算激光驱动模块发射出去的脉冲光信号的回波信号与第二脉冲信号之间的时间差，并以该时间差来间接反映回波信号与脉冲减窄模块基于第一脉冲信号产生的第三脉冲信号C之间的时间差，消除了因第三脉冲信号的上升沿离散不稳定带来的计时随机误差，使得计时结果更加准确、稳定、可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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是本实用新型一实施例提供的基于激光雷达的计时装置的结构示意图；

图2是本实用新型一实施例提供的脉冲减窄模块的结构示意图；

图3是本实用新型一实施例提供的脉冲减窄模块输入输出波形示意图；

图4是本发明一实施例提供的信号发生模块输出信号的波形示意图；

图5是本实用新型一实施例提供的计时波形时序示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本方案，下面将结合本方案实施例中的附图，对本方案实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本方案一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本方案中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本方案保护的范围。

本方案的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他任何变形，是指“包括但不限于”，意图在于覆盖不排他的包含，并不仅限于文中列举的示例。此外，术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

以下结合具体附图对本实用新型的实现进行详细的描述：

图1是本实用新型实施例提供的基于激光雷达的计时装置的结构示意图，如图1所示，包括：信号发生模块101、脉冲减窄模块102、计时模块103和激光驱动模块104。

其中，信号发生模块101包括第一脉冲输出端口和第二脉冲输出端口。信号发生模块101同时产生第一脉冲信号A和第二脉冲信号B。本实用新型实施例中，信号发生模块101基于内部定时器或外部定时器同时产生第一脉冲信号A和第二脉冲信号B，以实现两脉冲信号间的可参考性。

优选的，信号发生模块101基于内部定时器产生，使得脉冲减窄模块102与计时模块103之间无额外延时或缓冲电路，并实现小于2ns极窄的激光驱动脉冲信号的产生。其中，可选的，信号发生模块101基于ARM内部定时器的两个通道产生第一脉冲信号A和第二脉冲信号B。

第一脉冲输出端口分别连接脉冲减窄模块102的输入端口和计时模块103的第一端口。第二脉冲输出端口连接计时模块103的第二端口。其中，第一脉冲输出端口分两路连接，一路连接至计时模块103，输出至计时模块103中的第一脉冲信号A不参与第三脉冲信号C的产生，仅作为计时模块103的计时时刻基准，提高结果的准确性和可靠性。

脉冲减窄模块102的输出端口连接激光驱动模块104的输入端口，用于将第一脉冲信号A的脉宽缩减至设定范围生成第三脉冲信号C，并输出第三脉冲信号C至激光驱动模块104，以控制激光驱动模块104产生脉冲光信号。

其中，脉冲减窄模块102起到对第一脉冲信号A进行脉冲减窄的作用，将第一脉冲信号A的脉宽缩减至设定范围内，保证能够产生极窄的第三脉冲信号C，同时，降低对信号发生模块101产生极窄信号的要求，从而不需要很高的时钟便可实现极窄的激光驱动脉冲，大大降低信号发生模块101的成本。可选的，脉宽设定范围为1ns～4ns；或，1ns～3ns，或1ns～2ns。

在激光雷达应用领域，驱动脉宽的宽窄决定了激光二极管发光的光信号的脉冲宽度。脉冲宽度越宽，在相同工作频率条件下，其平均功率越大，从而激光二极管产生的热能也越大，会影响激光二极管的寿命。反过来，当峰值功率一定，脉冲宽度越窄，则激光二极管或驱动电路能工作的频率越高。

计时模块103的第三端口输入脉冲光信号的回波信号D，用于根据第一脉冲信号A、第二脉冲信号B和回波信号D对激光雷达的飞行时间进行计时。

其中，激光驱动模块104产生脉冲光信号通过被测物反射回的光信号经过光电转换电路得到回波信号D。第三脉冲信号C是第一脉冲信号A通过脉冲减窄模块102转换而来。因此，在时序上第三脉冲信号C与第一脉冲信号A具有严格的时序关系。但脉冲减窄模块102中积分电路的上升沿具有离散抖动性，导致第三脉冲信号C的上升沿也具有离散抖动性。第一脉冲信号A和第二脉冲信号B同时产生，在时序上同样具有严格的时序关系。计算第二脉冲信号B和回波信号D之间的时间间隔，来代替实际的时间差，即回波信号D与第三脉冲信号C之间的时间间隔，解决了计时不稳定的因素。且具体实施过程中，雷达系统中会做零点补偿，可以使计时更加准确和可靠。

本实施例中，通过计时装置包括信号发生模块101、脉冲减窄模块102、计时模块103和激光驱动模块104的设计。信号发生模块101同时产生第一脉冲信号A和第二脉冲信号B，并直接通过对应的输出端口输出至计时模块103中，减少了中间延时电路或缓冲电路，使电路简单，易于实现。脉冲减窄模块102允许信号发生模块101产生宽脉冲的脉冲信号，减小了对信号发生模块101的性能要求，降低了成本。计时模块103计算激光驱动模块104发射出去的脉冲光信号的回波信号D与第二脉冲信号B之间的时间差，并以该时间差来间接反映回波信号D与脉冲减窄模块102基于第一脉冲信号A产生的第三脉冲信号C之间的时间差，消除了因第三脉冲信号C的上升沿离散不稳定带来的计时随机误差，使得计时结果更加准确、稳定、可靠。

图2是本实用新型实施例提供的脉冲减窄模块102的结构示意图，如图2所示，脉冲减窄模块102包括：与门芯片U1、电阻R1和可变电容C1。其中，与门芯片U1包括第一输入端口A、第二输入端口B和输出端口。

第一脉冲输出端口连接第一输入端口A和电阻R1的一端。电阻R1另一端连接第二输入端口B。电阻R1另一端与输出端口之间连接可变电容C1。

输出端口连接激光驱动模块104。

其中，电阻R1和可变电容C1组成积分网络，调节电阻R1和电容C1可以使第三脉冲信号C得到不同的脉冲宽度，能适应更广阔的应用场景。

图3是本实用新型一实施例提供的脉冲减窄模块102输入输出波形示意图。

其中，脉冲信号A1为图2中与门芯片U1的第二输入端口B与电阻R1之间A1点的波形。在图3中，第一脉冲信号A和脉冲信号A1经过图2中的与门芯片U1产生的第三脉冲信号C。

本实用新型实施例中，信号发生模块101仅包括控制电路，一般为ARM、CPLD、FPGA的一种电路。在一种可能的实现方式中，信号发生模块101包括ARM控制电路。ARM控制电路包括定时器，用于产生第一脉冲信号A和第二脉冲信号B。

在一种可能的实现方式中，第一脉冲信号A和第二脉冲信号B为单一正脉冲信号。

在一种可能的实现方式中，第一脉冲信号A的脉宽大于第二脉冲信号B的脉宽；且第一脉冲信号A的脉宽和第二脉冲信号B的脉宽大于脉宽阈值。

在一种可能的实现方式中，第二脉冲信号B的上升沿滞后于第一脉冲信号A的上升沿。

在一种可能的实现方式中，第二脉冲信号B的下降沿时刻与第一脉冲信号A的下降沿时刻相同。

在一种可能的实现方式中，第二脉冲信号B的上升沿滞后时间大于设定时长。

在一种可能的实现方式中，第三脉冲信号C的下降沿时刻与第一脉冲信号A的下降沿时刻相同。

图4是本实用新型一实施例提供的信号发生模块101输出信号的波形示意图。如图4为信号发生模块101产生的两路第一脉冲信号A和第二脉冲信号B的波形示意图。其中，第一脉冲信号A和第二脉冲信号B的上升沿时刻存在时间差，第二脉冲信号B的上升沿时刻滞后于第一脉冲信号A的上升沿时刻，滞后的时间差t₁，一般大于20ns，即设定时长为20ns。第二脉冲信号B的正电平持续时间t₂，一般大于10ns，即脉宽阈值为10ns。第一脉冲信号A的正电平持续时间t₃，一般大于30ns，本实用新型实施例中，利用时延做间接计时用。

图5是本实用新型一实施例提供的计时波形时序示意图。图5中的第一脉冲信号A、第二脉冲信号B和回波信号D输入计时模块103中。计时模块103在第一脉冲信号A的上升沿时刻T₀开启工作，计时模块103经过内部运算计算得出回波信号D和第二脉冲信号B的时间差，进一步地为计算回波信号D的到达时刻。

在一种可能的实现方式中，计时模块103为计时芯片电路。可选的，计时模块103为GP22计时芯片电路，电路连接形式简单，易于实现，节省电路结构，同时也降低了成本和电路空间。

上述为本实用新型实施例提供的基于激光雷达的计时装置的结构介绍，再执行计时过程，工作原理如下：

信号发生模块101同时产生第一脉冲信号A第二脉冲信号B；

脉冲减窄模块102对第一脉冲信号A进行脉冲减窄处理生成第三脉冲信号C，并发送至激光驱动模块104；

其中，第三脉冲信号C是由第一脉冲信号A和脉冲信号A1通过与运算得出的，调节脉冲减窄电路的参数可以使第三脉冲信号C达到极窄的脉宽，具体可参见图2和图3，在时序上第三脉冲信号C与第一脉冲信号A具有严格的时序关系。

激光驱动模块104根据第三脉冲信号C生成脉冲光信号，并发射脉冲光信号；

计时模块103根据第一脉冲信号A、第二脉冲信号B和脉冲光信号的回波信号D确定激光雷达的飞行时间。

其中，回波信号D经过光束的空间传输和光电转换电路的延时，在时刻上滞后于第三脉冲信号C，因此在计时模块103中也滞后于第二脉冲信号B。

在一种可能的实现方式中，计时模块103根据第一脉冲信号A、第二脉冲信号B和脉冲光信号的回波信号D确定激光雷达的飞行时间，包括：

计时模块103将第一脉冲信号A作为起始信号，将第二脉冲信号B作为第一终止信号，并将回波信号D作为第二终止信号；

计时器根据起始信号的上升沿时刻启动计算，计算第二终止信号和第一终止信号上升沿之间的时间差，并根据时间差确定激光雷达的飞行时间。

在一种可能的实现方式中，在根据时间差确定激光雷达的飞行时间之前还包括：

确定第三脉冲信号C与第二脉冲信号B之间的时间差。

在一种可能的实现方式中，激光雷达的飞行时间为：

T_TOF＝T_D-T_C＝T_D-T_B-ΔT

其中，T_TOF为激光雷达的飞行时间；T_D为回波信号D的上升沿时刻；T_C为第三脉冲信号C的上升沿时刻；T_B为第二脉冲信号B的上升沿时刻；ΔT为第二脉冲信号B与第三脉冲信号C的上升沿时刻之间的时间差。

传统激光雷达系统需要计时的时间为图5中的T_D-T_C，即回波信号D与第三脉冲信号C之间的时间差。T_B与T_C之间相差的固定时间差，因此本实用新型实施例中直接计算T_D-T_B即可，ΔT与计时装置的电路延时通过激光雷达系统的零点补偿进行消除。另外，计时模块103也是具有计时误差的，第二脉冲信号B的上升沿比较固定，第三脉冲信号C的上升沿存在离散抖动性，两种信号进入具有计时误差的计时电路中，对第三脉冲信号C的计时误差显然会进行误差叠加累积，使计时误差更大。本实用新型实施例中，对第二脉冲信号B的计时仅是计时模块103的误差，最后做系统的零点补偿时，ΔT的不确定性以及电路延时随温度变化等均转为系统测误差，因此，基于本实用新型实施例间接测量计时准确性更高。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种基于激光雷达的计时装置，其特征在于，包括：信号发生模块、脉冲减窄模块、计时模块和激光驱动模块；

2.根据权利要求1所述计时装置，其特征在于：所述脉冲减窄模块包括：与门芯片、电阻和可变电容；所述与门芯片包括第一输入端口、第二输入端口和输出端口；

所述输出端口连接所述激光驱动模块。

3.根据权利要求1所述的计时装置，其特征在于：所述信号发生模块包括ARM控制电路；所述ARM控制电路包括定时器，用于产生所述第一脉冲信号和所述第二脉冲信号。

4.根据权利要求1所述的计时装置，其特征在于，所述第一脉冲信号和第二脉冲信号为单一正脉冲信号。

5.根据权利要求4所述的计时装置，其特征在于，所述第一脉冲信号的脉宽大于所述第二脉冲信号的脉宽；且所述第一脉冲信号的脉宽和所述第二脉冲信号的脉宽大于脉宽阈值。

6.根据权利要求5所述的计时装置，其特征在于，所述第二脉冲信号的上升沿滞后于所述第一脉冲信号的上升沿。

7.根据权利要求5所述的计时装置，其特征在于，所述第二脉冲信号的下降沿时刻与所述第一脉冲信号的下降沿时刻相同。

8.根据权利要求6或7所述的计时装置，其特征在于，所述第二脉冲信号的上升沿滞后时间大于设定时长。

9.根据权利要求1所述的计时装置，其特征在于，所述第三脉冲信号的下降沿时刻与所述第一脉冲信号的下降沿时刻相同。

10.根据权利要求1所述的计时装置，其特征在于，所述计时模块为计时芯片电路。