CN217879629U - 一种激光雷达直流耦合接收电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型设计的激光雷达直流耦合接收电路，包括FPGA模块、光电探测模块和电源选通模块，光电探测模块包括N个pixel单元，pixel单元即为通道单元，电源选通模块由FPGA模块控制，FPGA模块向电源选通模块发出N路控制信号从而为光电探测模块的N个pixel单元轮循供电，由于激光器发光顺序与光电探测模块pixel单元的收光顺序一一对应，所述光电探测模块中各pixel单元轮循供电能够有效缓解光学串扰对选通pixel单元探测的影响，所述激光雷达直流耦合接收电路保留了目标物回波信号的直流分量，能够更真实地反应回波信号峰的真实强度值，有利于激光雷达后续反射率的标定，通过内部的电源选通模块保证有且仅有一组激光器、一组SiPM通道工作，能够有效缓解光学串扰带来的探测干扰。

Description

一种激光雷达直流耦合接收电路

技术领域

本实用新型涉及车载激光雷达领域，具体而言涉及一种激光雷达直流耦合接收电路。

背景技术

激光雷达、毫米波雷达和摄像头是车端无人驾驶的核心感知传感器，与毫米波雷达和摄像头相比，激光雷达具有高分辨率、远距离、视角广阔、不受环境气候条件影响等特性，且与摄像头相比，激光雷达能够有效地识别非金属物体，所以，激光雷达在高级别自动驾驶中具备不可替代的优势。

激光雷达的输出信息包括时间戳、三维位置、距离和反射率，其中，反射率是被测目标物体的重要信息，基于硅光电倍增管（SiPM）的探测电路通常采用交流耦合方案，但背景噪声将直接影响回波信号的探测概率，此外，激光雷达的光学串扰也可能引起回波信号的误判。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术的不足，提供一种激光雷达直流耦合接收电路。本实用新型具体采用如下技术方案。

为实现上述目的，提出一种激光雷达直流耦合接收电路，接收电路包括FPGA模块、光电探测模块和电源选通模块，光电探测模块包括N个pixel单元，pixel单元即为通道单元，电源选通模块由FPGA模块控制，FPGA模块向电源选通模块发出N路控制信号从而为光电探测模块的N个pixel单元轮循供电，由于激光器发光顺序与光电探测模块pixel单元的收光顺序一一对应，所述光电探测模块中各pixel单元轮循供电能够有效缓解光学串扰对选通pixel单元探测的影响，pixel单元具体为与激光器一一对应的辐射检测器，光电探测模块还包括感应电阻，辐射检测器吸收光子产生的电流脉冲经感应电阻转换为电压脉冲，光电探测模块的输出端连接差分放大电路，差分放大电路通过ADC模块连接FPGA模块，差分放大电路用于将电压脉冲按比例放大，放大后的电压脉冲信号经所述ADC模块高速采样，后经LVDS接口送入所述FPGA模块处理，所述FPGA模块采用直接测量飞行时间（dToF）方式计算目标距离；FPGA模块另外通过一DAC模块连接差分放大电路，FPGA模块控制该DAC模块产生共模电压DC-BIAS提供差分放大电路的直流偏置，此外，FPGA模块还通过另一DAC模块连接负压LDO模块，该负压LDO模块连接光电探测模块为光电探测模块提供-Vbias负电压，与电源选通模块中的电压共同保证光电探测模块工作处于盖革模式，光电探测模块的侧面安装有温度传感器，温度传感器连接FPGA模块，由于SiPM的击穿电压随温度的变化明显，故采用所述温度传感器模块进行实时击穿电压补偿，FPGA模块根据温度传感器采集的数据对-Vbias负电压数据进行调整。

作为优选，电源选通模块采用PMOS结构。

作为优选，光电探测模块具体为SiPM探测模块，pixel单元具体为与激光器一一对应的固态高增益辐射检测器。

作为优选，光电探测模块由两片12通道SiPM pixel单元拼接而成，共有24个pixel单元，所有PMOS开关默认关闭，当发光模块24组激光器轮循发光时，所述FPGA模块产生的24路控制信号在相应时间段轮循拉低，即PMOS开关轮循开启，用于相应的SiPM通道接收目标物的回波信号，在同一时间段内，有且仅有一组激光器和一组SiPM通道工作，其余23组SiPM通道无法形成通电环路，故二极管的体电容等寄生因素也无法将串扰光信号传导到所述差分放大电路前端，从而该电路结构能够有效缓解光学串扰对测距带来的影响。

作为优选，FPGA模块产生的24路控制信号默认为高电平即3.3V。

本实用新型设计的激光雷达直流耦合接收电路，保留了目标物回波信号的直流分量，更真实地反应了回波信号峰的真实强度值，有利于激光雷达后续反射率的标定，此外，通过内部的电源选通模块保证有且仅有一组激光器、一组SiPM通道工作，能够有效缓解光学串扰带来的探测干扰。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地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。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本实用新型的实施例一起，用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1是激光雷达直流耦合接收电路的示意图；

图2为光电探测模块与差分放大电路连接处的电路图；

图3为低背景光下某目标物的回波信号示意图；

图4为低背景光下SiPM交流耦合接收电路处理后的探测信号示意图；

图5为高背景光下某目标物的回波信号示意图；

图6为高背景光下SiPM交流耦合接收电路处理后的探测信号示意图。

图中：1、 电源选通模块；2、 光电探测模块；3、DAC模块；4、 负压LDO模块；5、 温度传感器模块；6、 差分放大电路；7、 ADC模块；8、 FPGA模块；9、 DAC模块。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本实用新型中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本实用新型中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

下面描述根据本实用新型实施例的一种激光雷达直流耦合接收电路，参照图1，接收电路包括FPGA模块8、光电探测模块2和电源选通模块1，光电探测模块2包括N个pixel单元，pixel单元即为通道单元，电源选通模块1由FPGA模块8控制，FPGA模块8向电源选通模块1发出N路控制信号从而为光电探测模块2的N个pixel单元轮循供电，由于激光器发光顺序与光电探测模块pixel单元的收光顺序一一对应，所述光电探测模块中各pixel单元轮循供电能够有效缓解光学串扰对选通pixel单元探测的影响，pixel单元具体为与激光器一一对应的辐射检测器，光电探测模块还包括感应电阻，辐射检测器吸收光子产生的电流脉冲经感应电阻转换为电压脉冲，光电探测模块2的输出端连接差分放大电路6，差分放大电路6通过ADC模块7连接FPGA模块8，差分放大电路6用于将电压脉冲按比例放大，放大后的电压脉冲信号经所述ADC模块7高速采样，后经LVDS接口送入所述FPGA模块8处理，所述FPGA模块采用直接测量飞行时间（dToF）方式计算目标距离；FPGA模块8另外通过一DAC模块9连接差分放大电路6，FPGA模块8控制该DAC模块9产生共模电压DC-BIAS提供差分放大电路6的直流偏置，此外，FPGA模块8还通过另一DAC模块3连接负压LDO模块4，该负压LDO模块4连接光电探测模块2为光电探测模块2提供-Vbias负电压，与电源选通模块1中的电压共同保证光电探测模块2工作处于盖革模式，光电探测模块2的侧面安装有温度传感器5，温度传感器5连接FPGA模块8，由于SiPM的击穿电压随温度的变化明显，故采用所述温度传感器模块5进行实时击穿电压补偿，FPGA模块根据温度传感器采集的数据对-Vbias负电压数据进行调整。

作为优选，电源选通模块采用PMOS结构。

作为优选，光电探测模块具体为SiPM探测模块，pixel单元具体为与激光器一一对应的固态高增益辐射检测器。

作为优选，光电探测模块由两片12通道SiPM pixel单元拼接而成，共有24个pixel单元，所有PMOS开关默认关闭，当发光模块24组激光器轮循发光时，所述FPGA模块产生的24路控制信号在相应时间段轮循拉低，即PMOS开关轮循开启，用于相应的SiPM通道接收目标物的回波信号，在同一时间段内，有且仅有一组激光器和一组SiPM通道工作，其余23组SiPM通道无法形成通电环路，故二极管的体电容等寄生因素也无法将串扰光信号传导到所述差分放大电路前端，从而该电路结构能够有效缓解光学串扰对测距带来的影响。

作为优选，FPGA模块产生的24路控制信号默认为高电平即3.3V。

实施例：

参照图2，该电路图为本实用新型专利所描述的激光雷达直流耦合接收电路中前置放大部分原理图，其主要包括所述电源选通模块、所述光电探测模块和所述差分放大电路，所述电源选通模块采用PMOS结构，所述FPGA模块产生的24路控制信号默认为高电平（3.3V），即所有PMOS开关默认关闭，当发光模块24组激光器轮循发光时，所述FPGA模块产生的24路控制信号在相应时间段轮循拉低，即PMOS开关轮循开启，用于相应的SiPM通道接收目标物的回波信号，在同一时间段内，有且仅有一组激光器和一组SiPM通道工作，其余23组SiPM通道无法形成通电环路，故二极管的体电容等寄生因素也无法将串扰光信号传导到所述差分放大模块前端，从而该电路结构能够有效缓解光学串扰对测距带来的影响，所述差分放大模块采用差分运放实现，所述DAC1模块产生的共模电压DC-BIAS用于提供所述差分放大模块的直流偏置。

基于SiPM的探测电路通常采用交流耦合方案，图3和图5为相同反射率目标物的回波信号，其中图3为低背景光情况，噪声平均水平较低，由于系统中使用的SiPM探测器工作于盖革模式，探测器触发后会有一段无法探测的死时间，若背景噪声提高，提前触发了探测器，真实的回波信号探测概率会降低，如图5所示，体现在探测器输出波形上，随着背景噪声水平的提升，回波信号峰会逐渐被噪声淹没；图4和图6为交流耦合以后的信号，去除了原始信号中的直流偏置，相同反射率的目标，由于背景噪声的不同，交流耦合方案导致最终得到的反射率信息出现了较大的偏差，若采用SiPM直流耦合方案，则输出信号保留图3和图5的原始状态，可以更好地评估回波信号峰的真实强度值。

本实用新型设计的激光雷达直流耦合接收电路，保留了目标物回波信号的直流分量，更真实地反应了回波信号峰的真实强度值，有利于激光雷达后续反射率的标定，此外，通过内部的电源选通模块保证有且仅有一组激光器、一组SiPM通道工作，能够有效缓解光学串扰带来的探测干扰。

以上仅为本实用新型的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种激光雷达直流耦合接收电路，其特征在于，接收电路包括FPGA模块、光电探测模块和电源选通模块，光电探测模块包括N个pixel单元，pixel单元即为通道单元，电源选通模块由FPGA模块控制，FPGA模块向电源选通模块发出N路控制信号从而为光电探测模块的N个pixel单元轮循供电，pixel单元具体为与激光器一一对应的辐射检测器，光电探测模块还包括感应电阻，辐射检测器吸收光子产生的电流脉冲经感应电阻转换为电压脉冲，光电探测模块的输出端连接差分放大电路，差分放大电路通过ADC模块连接FPGA模块，FPGA模块另外通过一DAC模块连接差分放大电路，FPGA模块控制该DAC模块产生共模电压DC-BIAS提供差分放大电路的直流偏置，此外，FPGA模块还通过另一DAC模块连接负压LDO模块，该负压LDO模块连接光电探测模块为光电探测模块提供-Vbias负电压，光电探测模块的侧面安装有温度传感器，温度传感器连接FPGA模块。

2.根据权利要求1所述的一种激光雷达直流耦合接收电路，其特征在于，电源选通模块采用PMOS结构。

3.根据权利要求1所述的一种激光雷达直流耦合接收电路，其特征在于，光电探测模块具体为SiPM探测模块，pixel单元具体为与激光器一一对应的固态高增益辐射检测器。

4.根据权利要求3所述的一种激光雷达直流耦合接收电路，其特征在于，光电探测模块由两片12通道SiPM pixel单元拼接而成，共有24个pixel单元。

5.根据权利要求4所述的一种激光雷达直流耦合接收电路，其特征在于，FPGA模块产生的24路控制信号默认为高电平即3.3V，通过24路控制信号轮循负脉冲来轮循开启光电探测模块各pixel单元。

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