CN217932067U

CN217932067U - 读出电路、光电检测装置和车辆

Info

Publication number: CN217932067U
Application number: CN202220569599.0U
Authority: CN
Inventors: 赖梓扬; 高祥龙; 王洪亮
Original assignee: Weilai Automobile Technology Anhui Co Ltd
Current assignee: Weilai Automobile Technology Anhui Co Ltd
Priority date: 2022-03-16
Filing date: 2022-03-16
Publication date: 2022-11-29
Anticipated expiration: 2032-03-16

Abstract

本实用新型包括一种读出电路、光电检测装置和车辆。该读出电路包括：耦合到光电传感器的跨阻放大器，以用于将电流信号转换为第一电压信号；耦合到跨阻放大器的时间读出模块，以用于生成第一电压信号的飞行时间信息；以及能量读出模块，能量读出模块包括：耦合到跨阻放大器的第一运算放大器，以用于将第一电压信号放大为第二电压信号；以及耦合到第一运算放大器的模数转换器，用于将从第二运算放大器接收到的第二电压信号进行模数转换，以生成第一数字信号。

Description

读出电路、光电检测装置和车辆

技术领域

本实用新型涉及电路设计领域。具体而言，本实用新型涉及一种用于光电检测器的读出电路、光电检测装置和带有该系统的车辆。

背景技术

在自动驾驶技术中，环境感知系统是基础且至关重要的一环，是自动驾驶汽车安全性和智能性的保障，环境感知传感器中激光雷达在可靠度、探测范围、测距精度等方面具有不可比拟的优势。激光雷达通过发射和接收激光束，分析激光遇到目标对象后的折返时间，计算出目标对象与车的相对距离，并利用此过程中收集的目标对象表面大量密集的点的三维坐标、反射率等信息，快速复建出被测目标的三维模型，对环境的重构能力强，目标检测可靠，可实现水平360°探测及厘米级精度。

车载激光雷达处于起步阶段，基于硅光电倍增管（SiPM）车载测距系统更是一种新兴的尝试。目前，针对光电检测器（例如，SiPM检测器）的大部分读出电路只涉及时间域的读取，并不涉及能量域的读取。

实用新型内容

按照本实用新型的一个方面，提供一种用于光电检测器的读出电路，其特征在于，所述读出电路包括：耦合到所述光电传感器的所述跨阻放大器，以用于将电流信号转换为第一电压信号；耦合到所述跨阻放大器的时间读出模块，以用于生成所述第一电压信号的飞行时间信息；以及能量读出模块，所述能量读出模块包括：耦合到所述跨阻放大器的第一运算放大器，以用于将第一电压信号放大为第二电压信号；以及耦合到所述第一运算放大器的模数转换器，用于将从所述第二运算放大器接收到的第二电压信号进行模数转换，以生成第一数字信号。

作为以上方案的替代或补充，在根据本实用新型一实施例的读出电路中，所述时间读出模块包括：耦合到所述跨阻放大器的第二运算放大器，以用于将第一电压信号放大为第三电压信号；耦合到所述第二运算放大器的比较器，以用于将所述第三电压信号与阈值信号进行比较并生成脉冲信号；以及耦合到所述比较器的时间数字转换单元，以基于所述脉冲信号生成所述飞行时间信息。

作为以上方案的替代或补充，在根据本实用新型一实施例的读出电路中，所述时间读出模块还包括阈值确定单元，以基于来自数据处理单元的控制信号生成用于所述比较器的所述阈值信号。

作为以上方案的替代或补充，在根据本实用新型一实施例的读出电路中，所述比较器配置成：在所述第三电压信号大于或等于所述阈值信号时输出高电平；以及在所述第三电压信号小于所述阈值信号时输出低电平。

作为以上方案的替代或补充，根据本实用新型一实施例的读出电路还包括耦合到所述时间读出模块和所述能量读出模块的数据处理单元，所述数据处理单元配置成：基于所述飞行时间信息生成检测目标的距离信息；以及基于所述第一数字信号生成所述检测目标的反射率信息。

作为以上方案的替代或补充，在根据本实用新型一实施例的读出电路中，所述时间读出模块通过串行外设接口将所述飞行时间信息传输到所述数据处理单元，并且所述能量读出模块通过低电压差分信号接口将所述第一数字信号传输到所述数据处理单元。

作为以上方案的替代或补充，在根据本实用新型一实施例的读出电路中，所述数据处理单元还配置成向所述时间读出模块和所述能量读出模块同步发送使能信号。

作为以上方案的替代或补充，在根据本实用新型一实施例的读出电路中，所述光电探测器包括硅光电倍增管阵列。

按照本实用新型的又一个方面，提供一种光电检测装置，其特征在于，包括：光电检测器，其被配置成接收光信号并将所述光信号转换成电流信号；以及根据本实用新型一个方面的读出电路，所述读出电路耦合到所述光电检测器。

按照本实用新型的又一个方面，提供一种车辆，其包括根据本实用新型一个方面的读出电路。

一方面，根据本实用新型的一个或多个实施例的读出电路能够在读出激光回波信号的时间域信息的同时获取光强度信息，从而弥补了当前探测器脉冲信号电路只能读出时间域信息，而光强度需要另外的信号处理芯片进行解析的缺点。

此外，根据本实用新型的一个或多个实施例的读出电路能够输出同一时刻的时间域和光强度的信息，从而提高了激光雷达的测距精度，减少了数字信号处理的难度。

附图说明

本实用新型的上述和/或其他方面和优点将通过以下结合附图的各个方面的描述变得更加清晰和更容易理解，附图中相同或相似的单元采用相同的标号表示。附图包括：

图1示出了根据本实用新型的一个实施例的LiDAR装置10的示意性结构图；

图2示出了根据本实用新型的一个实施例的用于光电检测器的读出电路20的示意性结构图；

图3示出了一种典型的跨阻放大器的具体结构和连接关系的示意图；以及

图4示出了根据本实用新型的一个实施例的光电检测装置40的示意性结构图。

具体实施方式

在本说明书中，参照其中图示了本实用新型示意性实施例的附图更为全面地说明本实用新型。但本实用新型可以按不同形式来实现，而不应解读为仅限于本文给出的各实施例。给出的各实施例旨在使本文的披露全面完整，以将本实用新型的保护范围更为全面地传达给本领域技术人员。

诸如“包含”和“包括”之类的用语表示除了具有在说明书和权利要求书中有直接和明确表述的单元和步骤以外，本实用新型的技术方案也不排除具有未被直接或明确表述的其他单元和步骤的情形。诸如“第一”和“第二”之类的用语并不表示单元在时间、空间、大小等方面的顺序而仅仅是作区分各单元之用。

激光雷达（LiDAR）测距技术越来越多地应用于例如移动测距、汽车智能驾驶系统、手势识别、和3D绘图等应用。要理解的是，本公开的技术通常用于电动汽车，其包括但不限于纯电动汽车（BEV）、混合动力汽车（HEV）、燃料电池汽车（FCEV）等。

下面参考图1，图1示出了根据本实用新型的一个实施例的LiDAR装置10的示意性结构图。

示例性地，LiDAR装置10可以是直接飞行时间（TOF）系统，其中光脉冲（例如，红外光的激光束）被发射到视场中，并且光通过反向散射从一个或多个对象反射回LiDAR装置10。

如图1所示，LiDAR装置10包括激光源110和光电检测器120。

示例性地，激光源110（例如，激光二极管或发光二极管）可以将光脉冲发射到视场中，并且由光电检测器120（例如，光电检测器阵列）接收来自由光照射的对象的反射。

示例性地，光电检测器120可以包括雪崩光电二极管（APD）、硅光电倍增管（SiPM）阵列、或其他光电二极管器件。SiPM是一种单光子敏感的高性能固态传感器，其由紧密排列的单光子雪崩光电二极管传感器的求和阵列和集成的淬灭电阻器形成，产生了具有高增益、高检测效率和快速时序的紧凑的传感器。

可选地，光电检测器120可以包括一个或多个读出电路121。下面将参考图2详细介绍读出电路的具体结构和工作方式。

图2示出了根据本实用新型的一个实施例的用于光电检测器的读出电路20的示意性结构图。如图2所示，读出电路20包括跨阻放大器210、时间读出模块220、以及能量读出模块230。可选地，读出电路20还包括数据处理单元240。

读出电路20中的跨阻放大器（TIA）210作为前置放大电路耦合到光电检测器，以从输出低电流的光电检测器（例如，雪崩光电二极管、硅光电倍增管）接收电流信号并转换为电压信号。示例性地，图3示出了一种典型的跨阻放大器的具体结构和连接关系的示意图。

图3中的跨阻放大器30包括放大输入端IN₁与放大输出端O₁，跨阻放大器30的放大输入端IN₁电性连接于光电检测器的输出端，其可以放大从输入端IN₁接收电流信号Iin，并将电流信号Iin转化为电压信号Vout，并从输出端O₁输出。可选地，跨阻放大器30可以依据需要调整将电流信号Iin转换为电压信号Vout的增益比例。

下面继续参考图2，跨阻放大器210的放大输出端连接到时间读出模块220以及能量读出模块230的输入端。时间读出模块220被配置成将来自跨阻放大器210的电流信号转换为第一电压信号。

可选地，时间读出模块220包括第二运算放大器221、比较器222、和时间数字转换单元223。

第二运算放大器221的输入端耦合到跨阻放大器210的输出端，并将第一电压信号放大为第三电压信号，以进一步提高检测的精度。

比较器222的一个输入端耦合到第二运算放大器221的输出端，并通过比较第三电压信号与阈值信号的大小生成脉冲信号。可选地，比较器222可以配置成：在第三电压信号大于或等于阈值信号时输出高电平；以及在第三电压信号小于阈值信号时输出低电平。示例性地，该阈值信号被设定成用于判定由光电检测器检测到的光电流信号是否为有效的回波信号的临界值。可选地，比较器222为阈值可调的比较器。

可选地，时间读出模块220还包括阈值确定单元224，以基于来自数据处理单元（例如，数据处理单元240）的控制信号生成用于比较器222的阈值信号。示例性地，阈值确定单元224的输出端连接到比较器222的阈值信号输入端，可以通过信号处理芯片改变阈值确定单元224的输出电压，从而改变比较器222的阈值信号。

时间数字转换单元223的输入端耦合到比较器222的输出端，以基于比较器222输出的脉冲信号生成飞行时间信息。示例性地，由比较器222的输出的脉冲信号可以作为STOP信号传送给时间数字转换单元223（例如，TDC芯片），时间数字转换单元223根据STOP信号计算出关于光电流信号的飞行时间（TOF）信息。

可选地，时间数字转换单元223的输出端通过串行外设接口（SPI）将飞行时间信息传输到数据处理单元（例如，数据处理单元240）。示例性地，数据处理单元240基于飞行时间信息生成检测目标的距离信息。

能量读出模块230可以包括第一运算放大器231以及模数转换器232。第一运算放大器231的输入端耦合到跨阻放大器210的输出端，并将第一电压信号放大为第二电压信号，以进一步提高检测的精度。模数转换器（ADC）132的输入端耦合到第一运算放大器231的输出端，以将从第一运算放大器231接收到的第二电压信号进行模数转换并生成第一数字信号。示例性地，模数转换器232可以是ADC采样芯片，以对第二电压信号进行采样并将采样后的数字信号传输到数据处理单元（例如，数据处理单元240）。示例性地，数据处理单元240基于第一数字信号生成检测目标的反射率信息。

可选地，模数转换器232的输出端通过低电压差分信号接口（LVDS）将所述第一数字信号传输到数据处理单元（例如，数据处理单元240）。

可选地，数据处理单元240还配置成向时间读出模块210和能量读出模块220同步发送使能信号。示例性地，数据处理单元240可以向时间数字转换单元223和模数转换器232发送同步使能信号，以控制时间数字转换单元223和模数转换器232输出，使得接收到的飞行时间信息和第一数字信号是对应同一时刻的检测信息，从而提高激光雷达检测的精度和准确度。

另外，时间读出模块210和能量读出模块220的结构不限于图2中示出的那样，而是可以包括任何能够使得读取出光电流信号的时间域和能量域信息的电路结构。

继续参考图4，图4示出了根据本实用新型的一个实施例的光电检测装置40的示意性结构图。

如图4所示，光电检测装置40包括光电检测器410（例如，如上所述的光电检测器120），其被配置成接收光信号并将光信号转换成电流信号。光电检测装置40还包括读出电路420（例如，如上所述的读出电路121、20）。

按照本实用新型的又一个方面，提供一种车辆，其包括根据本实用新型一个方面的读出电路（例如，如上所述的读出电路121、20）

根据本实用新型的一个或多个实施例的读出电路能够在读出激光回波信号的时间域信息的同时获取光强度信息，并且能够输出同一时刻的时间域和光强度的信息，从而提高了激光雷达的测距精度，减少了数字信号处理的难度。

前述公开不旨在将本公开限制为所公开的精确形式或特别使用领域。因此，设想的是，鉴于本公开，无论在本文中明确描述还是暗示，本公开的各种替代实施例和/或修改都是可能的。在已经像这样描述了本公开的实施例的情况下，本领域普通技术人员将认识到的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以在形式和细节上进行改变。因此，本公开仅由权利要求限制。

Claims

1.一种用于光电检测器的读出电路，其特征在于，所述读出电路包括：

耦合到所述光电检测器的跨阻放大器，以用于将电流信号转换为第一电压信号；

耦合到所述跨阻放大器的时间读出模块，以用于生成关于所述第一电压信号的飞行时间信息；以及

能量读出模块，所述能量读出模块包括：

耦合到所述跨阻放大器的第一运算放大器，以用于将第一电压信号放大为第二电压信号；以及

耦合到所述第一运算放大器的模数转换器，以用于对从所述第一运算放大器接收到的第二电压信号进行模数转换，以生成第一数字信号。

2.根据权利要求1所述的读出电路，其中，所述时间读出模块包括：

耦合到所述跨阻放大器的第二运算放大器，以用于将第一电压信号放大为第三电压信号；

耦合到所述第二运算放大器的比较器，以用于将所述第三电压信号与阈值信号进行比较并生成脉冲信号；以及

耦合到所述比较器的时间数字转换单元，以基于所述脉冲信号生成所述飞行时间信息。

3.根据权利要求2所述的读出电路，其中，所述时间读出模块还包括阈值确定单元，以基于来自数据处理单元的控制信号生成用于所述比较器的所述阈值信号。

4.根据权利要求2所述的读出电路，其中，所述比较器配置成：

在所述第三电压信号大于或等于所述阈值信号时输出高电平；以及

在所述第三电压信号小于所述阈值信号时输出低电平。

5.根据权利要求1所述的读出电路，其中，还包括耦合到所述时间读出模块和所述能量读出模块的数据处理单元，所述数据处理单元配置成：

基于所述飞行时间信息生成检测目标的距离信息；以及

基于所述第一数字信号生成所述检测目标的反射率信息。

6.根据权利要求5所述的读出电路，其中，所述时间读出模块通过串行外设接口将所述飞行时间信息传输到所述数据处理单元，并且所述能量读出模块通过低电压差分信号接口将所述第一数字信号传输到所述数据处理单元。

7.根据权利要求5所述的读出电路，其中，所述数据处理单元还配置成向所述时间读出模块和所述能量读出模块同步发送使能信号。

8.根据权利要求1所述的读出电路，其中，所述光电检测器包括硅光电倍增管阵列。

9.一种光电检测装置，其特征在于，包括：

光电检测器，其被配置成接收光信号并将所述光信号转换成电流信号；以及

如权利要求1-8中任一项所述的读出电路，所述读出电路耦合到所述光电检测器。

10.一种车辆，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一项所述的读出电路。