CN219039352U - 一种基于mems激光雷达的接收模块及装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于MEMS激光雷达的接收模块及装置，包括M个光电探测单元、N个前级放大单元以及L个后级放大单元，所述M个光电探测单元的输出与所述N个前级放大单元的输入连接，N‑M＝n，n≥1，至少n个光电探测单元与其中2n个前级放大单元连接；所述N个前级放大单元的输出与所述L个后级放大单元的输入连接。本实用新型中通过将两个激光拼接区域的光电探测器分别与两个视场的前级放大单元连接，可以实现每个视场仅一个后级运放及一路计时，节省计时模块及计时数据的判断，轻松实现mems激光雷达的接收处理。

Description

一种基于MEMS激光雷达的接收模块及装置

技术领域

本实用新型涉及激光检测领域，特别涉及一种基于MEMS激光雷达的接收模块及装置。

背景技术

随着激光检测技术的不断发展，对高扫频、高分辨率、小体积的激光雷达的需求不断增加，对激光系统的空间尺寸要求也越来越高，新型的MEMS 振镜体积小、成本低、功耗小的优点，使其具有广泛的应用前景。而一个二维MEMS振镜可以将单个激光的光线通过二个维度的摆动扫描出多条线，从而减少发射器的资源。

MEMS振镜的扫描视场一般在35*35度以下，为了满足激光雷达的视场需求，一般会采用多个激光进行拼接，从而增大水平视场，同时配合平行轴光学系统，采用大面阵APD(或SiPM或SPAD或者多个探测器拼接)接收不同角度的激光回波能量。

为了保证激光拼接区域无盲区，一般会将两个相邻的扫描的区域重叠1-2 度。如果多个激光共用一个探测器，则此种形式下，接收端同一个APD橡元(单个橡元，非整个探测器)要接收两个视场的回波信号，一般电路采用的形式是该APD橡元单独连接前级及后级放大电路，会额外增加一路计时，并且在进行计时数据输出时，需要增加视场判断，这样不但占用额外的计时资源，并且需要相应的软件判断处理，十分繁琐。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提供了一种基于MEMS激光雷达的接收模块及装置，通过将两个激光拼接区域的光电探测器分别与两个视场的前级放大单元连接，可以实现每个视场仅一个后级运放及一路计时，节省计时模块及计时数据的判断，轻松实现MEMS激光雷达的接收处理。

本实用新型提供了一种基于MEMS激光雷达的接收模块，包括：

光电探测器，包括M个光电探测单元；

放大模块，包括N个前级放大单元和L个后级放大单元；

所述M个光电探测单元的输出与所述N个前级放大单元的输入连接，其中，N-M＝n，n≥1；

至少n个光电探测单元与其中2n个前级放大单元连接。

所述N个前级放大单元的输出与所述L个后级放大单元的输入连接，其中，N≥L；且M、N、n和L均为整数。

在其中一个实施例中，所述光电探测器为阵列线性探测器或阵列单光子探测器。

在其中一个实施例中，所述阵列线性探测器包括APD和PIN中至少一种；所述阵列单光子探测器包括SiPM和SPAD中至少一种

在其中一个实施例中，所述光电探测单元与所述前级放大单元的数量差 n≤10。

基于同一发明构思，本实用新型还提供了一种基于MEMS激光雷达的装置，包括：激光发射模块、MEMS模块和上述任一实施例所述的接收模块；

所述激光发射模块包括L个激光发射单元，所述L个激光发射单元呈一定角度排布，所述激光发射单元用于产生出射光束，所述出射光束的出射方向对应MEMS微振镜的中心；

所述MEMS模块包括二维MEMS微振镜，所述二维MEMS微振镜通过 X、Y两个维度方向上的往复运动将所述出射光束反射至被探测区域，以及将接收到的回波光束发射至所述接收模块；其中，所述回波光束是由所述出射光束到达所述被探测区域的物体表面后，在所述物体表面发生漫反射产生的；

所述接收模块，接收所述回波光束，根据所述回波光束生产回波电信号。

在其中一个实施例中，所述激光发射单元的数量L与所述光电探测单元的数量M以及前级放大单元的数量N存在以下关系：L＝N-M+1。

在其中一个实施例中，所述基于MEMS激光雷达的装置还包括数据处理模块，数据处理模块与所述接收模块电连接，用于根据所述回波电信号计算被探测区域内的物体的距离。

在其中一个实施例中，所述基于MEMS激光雷达的装置还包括同步控制模块，通过所述同步控制模块控制所述激光发射单元与所述二维MEMS微振镜同步运行。

本实用新型提供的基于MEMS激光雷达的接收模块中，通过M个光电探测单元的输出与所述N个前级放大单元的输入连接，N个前级放大单元的输出与 L个后级放大单元的输入连接，使得其中至少n个光电探测单元与其中2n个前级放大单元连接；即，通过将两个激光拼接区域的光电探测器分别与两个视场的前级放大单元连接，从而保证每个视场仅一个后级运放及一路计时，节省计时模块及计时数据的判断，轻松实现mems激光雷达的接收处理。

附图说明

图1是本实用新型提供的现有技术中的发射与接收对应关系的示意图；

图2是本实用新型实施例提供的一种的发射与接收对应关系的示意图；

图3是本实用新型实施例提供的一种的基于MEMS激光雷达装置的结构示意图；

图4是本实用新型实施例提供的另一种基于MEMS激光雷达装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，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的实施例，都属于本实用新型保护的范围。

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

目前，为了保证激光拼接区域无盲区，一般会将两个相邻的扫描的区域重叠1-2度。图1为现有技术中发射模块与接收模块对应关系的示意图，假设发射模块的发射单元数量为3个，则3个发射单元经过MEMS微振镜扫描及反射后扫描出3个区域101、102和103，3个扫描区域上的激光点经过障碍物后漫反射后返回，打到阵列光电探测器104上。图1中示出的阵列光电探测器104包括16个橡元，其中像元1-6对应扫描区域101，像元6-11对应扫描区域102，11-16橡元对应扫描区域103。由图1可看出，其中像元6同时对应扫描区域101及102，像元11同时对应扫描区域102及扫描区域103。

请继续参见图1，每个像元单独对应一个前级运放，前级运放可以为单个跨阻芯片，也可以为多通道的跨阻芯片。同一个发射模块对应的多路前级运放可以通过开关切换等方式连接到同一个后级运放上，后级运放连接ADC 或者比较器，一般每一路后级运放对应有一路的ADC或者时刻鉴别单元，以及一路的计时资源。由于像元6同时对应两个扫描区域101及102，因此其对应的前级运放A6既无法直接和后级运放B1连接，也无法直接和后级运放B2连接，只能单独接一路后级运放，单独接一路ADC或时刻鉴别单元，额外增加一路计时；同理像元11也需要单独接一个后级运放及计时资源。

以橡元6为例，通过像元6接收到的回波信号经过前级运放A6，后级运放B12，以及后级的ADC计时或时刻鉴别后的计时处理。在进行计时数据处理时，需要根据当前MEMS微振镜扫描的角度，判断当前扫描区域101 内的激光点是否被橡元6接收到，并将当前计时的数据作为扫描区域101对应的发射模块的计时数据；如果当前扫描区域102内的激光点被橡元6接收到，则需要将计时的数据作为扫描区域102对应的发射模块的计时数据，不但占用额外的计时资源，并且需要相应的软件判断处理，十分繁琐。

为了解决该问题，本实用新型提供了一种基于MEMS激光雷达的接收模块，如图2所示，该基于MEMS激光雷达的接收模块包括：

光电探测器104，包括M个光电探测单元；所述光电探测器为阵列线性探测器或阵列单光子探测器。其中，所述阵列线性探测器包括APD和PIN 中的至少一种；所述阵列单光子探测器包括SiPM和SPAD中的至少一种。

放大模块105，包括N个前级放大单元和L个后级放大单元；

所述M个光电探测单元的输出与所述N个前级放大单元的输入连接，其中，N-M＝n，n≥1；

至少n个光电探测单元与其中2n个前级放大单元连接；

所述N个前级放大单元的输出与所述L个后级放大单元的输入连接，其中N≥L；

M、N、n和L均为整数。

请继续参见图2，本实施例中光电探测器104，包括16个光电探测单元。

放大模块105包括18个前级放大单元和3个后级放大单元，其中前级放大单元包括A1至A5、A6-1、A6-2、A7至A10、A11-1、A11-2、A12至 A16，后级放大单元包括B1、B2和B3；该16个光电探测单元的输出与所述 18个前级放大单元的输入连接，其中第6个光电探测单元与前级放大单元 A6-1、和A6-2连接，第11个光电探测单元与前级放大单元A11-1、和A11-2 连接。所述18个前级放大单元的输出与所述3个后级放大单元的输入连接。

该实施例中，扫描区域与像元的对应关系与图1所示出的实施例中的完全一致，不同的是，橡元6(覆盖扫描区域101和扫描区域102)同时连接两个前级运放A6-1及A6-2，橡元11(覆盖扫描区域102和扫描区域103)同时连接两个前级运放A11-1及A11-2，各增加一个运放的好处在于，扫描区域101对应的前级运放A1—A6-1可以连接到一个后级运放B1上，扫描区域 102对应的前级运放A6-2—A11-1可以连接到一个后级运放B2上，扫描区域 103对应的前级运放A11-2—A16可以连接到一个后级运放B3上，每个扫描区域分别对应一个后级运放，一路计时模块，每路模块处理的计时数据即为自身扫描区域对应的数据，无需判断。

需要说明的是，多个前级运放之所以可以连接到一个后级运放上，是由于单个视场区域的激光在扫描时，有时间先后顺序，即前级运放不会同时工作，根据激光点对应的橡元开启对应的前级运放即可。同一视场的前级运放连接到同一个后级运放上时，不是单纯的电连接，而是通过开关切换或电源切换等方式，保证同一时刻仅一个前级运放为工作状态，其他非工作状态的前级运放的输出为高阻状态，从而保证各路运放的放大倍数不受影响。此处为行业公知技术，不是本专利的保护内容，在此说明，避免引起不必要的误会。

本实用新型还提供了一种基于MEMS激光雷达的装置，如图3所示为基于MEMS激光雷达的装置300的功能框图，所述装置300包括激光发射模块303、 MEMS模块304和上述任一实施例所述的接收模块。

所述激光发射模块包括L个激光发射单元，所述L个激光发射单元呈一定角度排布，所述激光发射单元用于产生出射光束，所述出射光束的出射方向对应MEMS微振镜的中心。

所述MEMS模块包括二维MEMS微振镜，所述二维MEMS微振镜通过 X、Y两个维度方向上的往复运动将所述出射光束反射至被探测区域，以及将接收到的回波光束发射至所述接收模块；其中，所述回波光束是由所述出射光束到达所述被探测区域的物体表面后，在所述物体表面发生漫反射产生的。

所述接收模块，接收所述回波光束，根据所述回波光束生产回波电信号。该接收模块包括光电探测器模块302和放大模块301。所述光电探测器为阵列线性探测器或阵列单光子探测器。其中，所述阵列线性探测器包括APD和PIN 中的至少一种；所述阵列单光子探测器包括SiPM和SPAD中的至少一种。

本实施例中，光电探测器模块302包括1个16阵列的APD，用于接收激光的回波能量，并将光能量转换为电信号，生成回波信号；

所述放大模块301连接16阵列的APD，所述前级放大单元的18个通道对应APD的16个阵列，具体对应方式此处不再赘述。当其中一个APD接收到激光的回波光时，则与之对应的放大通道开启，并将微弱的电流信号放大。

激光发射模块303包括3个激光发射单元，3个激光发射单元呈一定角度排布，所述激光发射单元用于产生出射光束，所述出射光束的出射方向对应 MEMS微振镜的中心。

MEMS模块304包括1个二维MEMS微振镜，通过X、Y两个维度方向上的往复运动将所述出射光束反射至被探测区域，以及将接收到的回波光束发射至所述接收模块，3个激光扫描出3个区域。

如图4所示为本实用新型另一种实施例提供的基于mems激光雷达装置的功能框图；本实施例中，所述激光雷达装置不仅图3所示的各个功能模块外，还包括数据处理模块306。

数据处理模块306与所述接收模块电连接，用于根据所述回波电信号计算被探测区域内的物体的距离。本实施例中，所述数据处理模块306可以包括FPGA、DSP、MCU等中的任一种处理器。

在其中一个实施例中，所述基于MEMS激光雷达的装置的还包括同步控制模块307，同步控制模块307用于控制LD和MEMS同步运行，以保证LD 能够按照预设的角度进行发光，从而实现精准的测距。

需要说明的是，为了方便介绍本实用新型的方案，本实施例中采用的激光发射单元为3个，探测器为16线阵APD，仅用于说明本实用新型的方案，而非对其限定，激光发射单元只要大于2个即可，一般不大于10个，探测器的大小及橡元个数取决于发射的扫描区域角度以及与接收光路的匹配。在本实施例中，为了方便说明前级放大单元与探测器的对应关系，采用了单个的前级跨阻，实际使用时可以采用单通道跨阻，也可以采用多通道跨阻，本实施例不对其做限定。

本实施例介绍的基于MEMS激光雷达的接收模块，包括光电探测器和放大模块，将两个激光拼接区域的光电探测器分别与两个视场的前级放大单元连接，可以实现每个视场仅一个后级运放及一路计时，节省计时模块及计时数据的判断，轻松实现MEMS激光雷达的接收处理。

尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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权利要求所限定的范围。

Claims (8)

1.一种基于MEMS激光雷达的接收模块，其特征在于，包括：

光电探测器，包括M个光电探测单元；

放大模块，包括N个前级放大单元和L个后级放大单元；

所述M个光电探测单元的输出与所述N个前级放大单元的输入连接，其中，N-M＝n，n≥1；

至少n个光电探测单元与其中2n个前级放大单元连接；

所述N个前级放大单元的输出与所述L个后级放大单元的输入连接，其中，N≥L；

M、N、n和L均为整数。

2.根据权利要求1所述的激光雷达的接收模块，其特征在于，所述光电探测器为阵列线性探测器或阵列单光子探测器。

3.根据权利要求2所述的激光雷达的接收模块，其特征在于，所述阵列线性探测器包括APD和PIN中至少一种；所述阵列单光子探测器包括SiPM和SPAD中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的激光雷达的接收模块，其特征在于，所述光电探测单元与所述前级放大单元的数量差n≤10。

5.一种基于MEMS激光雷达的装置，其特征在于，包括：激光发射模块、MEMS模块和权利要求1-4任一项所述的接收模块；

所述激光发射模块包括L个激光发射单元，所述L个激光发射单元呈一定角度排布，所述激光发射单元用于产生出射光束，所述出射光束的出射方向对应MEMS微振镜的中心；

所述MEMS模块包括二维MEMS微振镜，所述二维MEMS微振镜通过X、Y两个维度方向上的往复运动将所述出射光束反射至被探测区域，以及将接收到的回波光束发射至所述接收模块；其中，所述回波光束是由所述出射光束到达所述被探测区域的物体表面后，在所述物体表面发生漫反射产生的；

所述接收模块，接收所述回波光束，根据所述回波光束生产回波电信号。

6.根据权利要求5所述的基于MEMS激光雷达的装置，其特征在于，所述激光发射单元的数量L与光电探测单元的数量M以及前级放大单元的数量N存在以下关系：L＝N-M+1。

7.根据权利要求5所述的基于MEMS激光雷达的装置，其特征在于，还包括数据处理模块，所述数据处理模块与所述接收模块电连接，用于根据所述回波电信号计算被探测区域内的物体的距离。

8.根据权利要求7所述的基于MEMS激光雷达的装置，其特征在于，还包括同步控制模块，通过所述同步控制模块控制所述激光发射单元与所述二维MEMS微振镜同步运行。

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