CN219831381U - 一种光接收端电路和激光雷达 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种光接收端电路和激光雷达，涉及光信号探测技术领域。供电模块、光电探测器模块、放大模块、差分模块、信号处理模块依次电连接，光电探测器模块包括工作组光电探测器和遮光组光电探测器，工作组光电探测器用于接收正常光信号，并将光信号转化为电信号经过放大模块放大后发送至差分模块的第一端。遮光组光电探测器用于将在与正常光信号隔绝的遮光情况下产生的噪声信号经过放大模块放大后发送至差分模块的第二端。差分模块用于将电信号与噪声信号作差，以产生消除噪声的待处理信号，得到了去除噪声信号和光串扰的信号，即避免了光接收端电路中的噪声和光串扰的影响。

Description

一种光接收端电路和激光雷达

技术领域

本申请涉及光信号探测技术领域，尤其涉及光接收端电路和激光雷达。

背景技术

光接收端电路中，可能会由于供电电源的变化等，产生噪声信号。例如，在激光雷达接收系统中，硅光电倍增管(SiPM)作为新一代的半导体光电器件，因为其高增益、单光子级别灵敏度、皮秒级快速响应能力、出色的时间分辨率以及集成度高等特性，已被广泛认为是替代传统弱光探测器的最佳选择。目前SiPM在医学成像、激光探测和测量领域、辐射探测和精密分析等领域已得到广泛应用。

SiPM增益高的特点，在探测远距离目标物时，具有很强的探测能力，但由于其增益高，对于近距离的探测，就会出现信号饱和，近距离目标物有盲区的问题，为解决该问题，就需要通过改变SiPM的偏压，从而调节SiPM的增益。为了让SiPM探测器的增益动态调节，目前的方式一般是通过设置偏压调节电路来调节SiPM探测器的电源电压，为SiPM提供所需的偏压，这种调节方式是根据SiPM的工作传感器温度的变化来实现的，但是该方案的缺点由于是通过开关电源升压的方式实现偏压电路，因此响应速度慢。而RC电路是另一个比较有效的调节SiPM偏压的方法，响应速度比较快，但是RC电路中用到的MOS管作为开关充放电，会引入开关时刻出现电脉冲信号，该信号作为噪声会串到后级的输出信号中。

SiPM是集成度高的阵列器件，由于直接光子串扰和器件表面反射，会带来光学串扰的问题，该问题可能引起回波信号的误判，目前的解决方式一般是通过提高信号处理的阈值，将光串扰干扰规避，但是该方法会降低激光雷达的测距能力。

因此，如何避免光接收端电路中的噪声和光串扰的影响，是需要解决的技术问题。

实用新型内容

本申请的目的在于提供一种光接收端电路和激光雷达，以解决现有技术中如何避免光接收端电路中的噪声和光串扰的影响的技术问题。

为实现上述目的，本申请实施例采取了如下技术方案。

第一方面，本申请实施例提供一种光接收端电路，包括供电模块、光电探测器模块、放大模块、差分模块、信号处理模块。

所述供电模块、所述光电探测器模块、所述放大模块、所述差分模块、所述信号处理模块依次电连接。

所述光电探测器模块包括工作组光电探测器和遮光组光电探测器。

所述工作组光电探测器用于接收正常光信号，并将所述光信号转化为电信号经过所述放大模块放大后发送至所述差分模块的第一端。

所述遮光组光电探测器用于将在与所述正常光信号隔绝的遮光情况下产生的噪声信号经过所述放大模块放大后发送至所述差分模块的第二端。

所述差分模块用于将所述电信号与所述噪声信号作差，以产生消除噪声的待处理信号，并将所述待处理信号传输至所述信号处理模块。

相对于现有技术，本申请具有以下有益效果：

本申请实施例提供的光接收端电路中，由于遮光组光电探测器与正常光信号隔绝，遮光组光电探测器产生的信号的条件与工作组光电探测器产生的信号的条件之间的区别仅仅在于是否有正常光信号，因此遮光组光电探测器产生的信号代表了噪声信号和光串扰产生的信号，这样将工作组光电探测器产生的信号和遮光组光电探测器产生的信号作差，即得到了去除噪声信号和光串扰的信号，即避免光接收端电路中的噪声和光串扰的影响。

可选地，所述光电探测器模块由硅光电倍增管阵列和采样电阻组成，选取所述硅光电倍增管阵列的边缘区域的一部分硅光电倍增管遮光作为所述遮光组光电探测器，其余的硅光电倍增管作为工作组光电探测器。

硅光电倍增管阵列的制造工艺比较成熟，用硅光电倍增管阵列实现光电探测器模块是成本低而有效的实施方式。

可选地，所述的硅光电倍增管阵列采用共阳极接法，阳极与所述供电模块电连接；多个硅光电倍增管单元与多个采样电阻一一对应，每个硅光电倍增管单元的阴极与其对应的采样电阻的第一端连接，且用于输出电压至放大模块，所述的采样电阻的第二端接地。

每个硅光电倍增管单元包括相同的雪崩光电二极管和淬灭电阻，这种硅光电倍增管单元的制造工艺比较成熟，且集成度高，用这种硅光电倍增管阵列实现光电探测器模块是成本低且易于集成的实施方式。

可选地，所述光接收端电路还包括开关模块，所述开关模块连接于所述光电探测器模块和所述差分模块之间。

当不需要工作时，就可以把开关模块置为关闭状态，从而降低了后级的功耗。

可选地，所述开关模块包括多个模拟开关，所述光电探测器模块由多个硅光电倍增管单元组成，所述多个硅光电倍增管单元与所述多个模拟开关一一对应连接。

模拟开关例如三极管、MOS管等，是一种简单且成本低的开关模块的实现方式。

可选地，所述放大模块包括与所述多个模拟开关一一对应连接的相同的放大器件，所述放大器件的输入端连接所述模拟开关，所述放大器件的输出端连接所述差分模块。

放大模块可以在前级电路光电探测器模块的输出信号不够大的情况下，将光电探测器模块的输出信号放大，从而有利于后级电路处理。

可选地，所述光电探测器模块由硅光电倍增管阵列和采样电阻组成，硅光电倍增管阵列中，边缘通道进行遮光，中间通道不遮光，经过采样电阻将电流信号转换成电压信号，经过放大后，再接到差分模块；所述的差分模块是由差分运算放大器及其外围电路组成的，每个差分运放的第一端与所述的经过放大后的工作组的光电信号一一对应，第二端与经过放大后的遮光组的光电信号连接。

可选地，所述遮光组光电探测器的遮光材料为吸光泡棉。

吸光泡棉的制造工艺比较成熟，用吸光泡棉实现光电探测器模块的遮光是成本低而有效的实施方式。

可选地，所述供电模块包括电阻和电容组成的低通滤波器，所述低通滤波器的输入端连接电源，所述低通滤波器的输出端连接所述光电探测器模块。供电模块的组成还可以有很多变化的实施方式，RC低通滤波器能够使得输出给硅光电倍增管的供电电压时间上以RC曲线的方式输出，且响应速度比较快。

第二方面，本申请实施例提供一种激光雷达，包括第一方面的光接收端电路，原理和实现的有益效果与第一方面的光接收端电路一致。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种光接收端电路示意图；

图2-1为本申请实施例提供的一种硅光电倍增管阵列示意图；

图2-2为本申请实实施例提供的一种光电探测器模块示意图；

图3为本申请实施例提供的一种带有开关模块的光接收端电路示意图；

图4为本申请实施例提供的一种展示差分模块的光接收端电路示意图；

图5为本申请实施例提供的一种供电模块输出波形示意图；

图6为本申请实施例提供的一种供电模块示意图；

图7为本申请实施例提供的一种信号处理模块示意图。

附图标记说明：

101-供电模块

102-光电探测器模块

103-开关模块

104-放大模块

105-差分模块

106-信号处理模块

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本申请的描述中，需要说明的是，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。

现有的光接收端电路中存在噪声和光串扰的影响。例如对于SiPM组成的光接收端电路，RC电路是另一个比较有效的调节SiPM偏压的方法，响应速度比较快，但是RC电路中用到的MOS管作为开关充放电，会引入开关时刻出现电脉冲信号，该信号作为噪声会串到后级的输出信号中产生不利影响。而且SiPM是集成度高的阵列器件，由于直接光子串扰和器件表面反射，会带来光学串扰的问题。

为了克服以上问题，可参阅图1，本申请实施例提供了一种光接收端电路，包括供电模块101、光电探测器模块102、放大模块104、差分模块105、信号处理模块106。

供电模块101、光电探测器模块102、放大模块104、差分模块105、信号处理模块106依次电连接。

光电探测器模块102包括工作组光电探测器和遮光组光电探测器，接下来介绍工作组光电探测器、遮光组光电探测器和差分模块105的工作原理：

1、工作组光电探测器用于接收正常光信号，并将光信号转化为电信号发送经过放大模块104放大后至差分模块105的第一端。

2、遮光组光电探测器用于将在与正常光信号隔绝的遮光情况下产生的噪声信号经过放大模块104放大后发送至差分模块105的第二端。遮光材料可选用吸光泡棉。

3、差分模块105用于将放大后的电信号与放大后的噪声信号作差，以产生消除噪声的待处理信号，并将待处理信号传输至信号处理模块106。

相对于现有技术，本申请具有以下有益效果：

由于遮光组光电探测器与正常光信号隔绝，遮光组光电探测器产生的信号的条件与工作组光电探测器产生的信号的条件之间的区别仅仅在于是否有正常光信号，因此遮光组光电探测器产生的信号代表了噪声信号和光串扰产生的信号，这样将工作组光电探测器产生的信号和遮光组光电探测器产生的信号作差，即得到了去除噪声信号和光串扰的信号，即避免光接收端电路中的噪声和光串扰的影响。

硅光电倍增管阵列是一种工艺比较成熟的产品，因此可以由硅光电倍增管阵列和采样电阻组成光电探测器模块102，这样可以选取硅光电倍增管阵列的边缘区域的一部分硅光电倍增管遮光作为遮光组光电探测器，其余的硅光电倍增管作为工作组光电探测器。可以将多个硅光电倍增管遮光，其输出端经过放大后，连接到差分模块105的第二端。

硅光电倍增管阵列可以由多个相同的硅光电倍增管单元组成。如图2-1，一共有n个硅光电倍增管单元，每个硅光电倍增管单元(图中标注SiPM表示每个硅光电倍增管单元)包括单光子雪崩光电二极管和淬灭电阻，每个硅光电倍增管单元共阳极且阳极和供电模块101相连，如图2-2，阴极与采样电阻的第一端电相连且阴极经过放大后接到差分模块105的一端，采样电阻的第二端接地。

采样电阻的作用是把经过雪崩光电二极管的电流信号转化为电压信号。该电压信号经过放大，此时的信号才能便于后级电路的处理。

为了使整机功耗尽量减小，设计上可以在SiPM的后级加入开关模块103如图3，这样既能保证能够控制SiPM的光电信号进入后级电路，又能不需要进行处理SiPM的光电信号的工作时，把开关模块103关闭，从而降低了后级的功耗。

开关模块103可以由模拟开关组成，如图4，每个硅光电倍增管单元的输出端(雪崩光电二极管的阴极，采样电阻的第一端)与多个模拟开关一一对应连接，再输出至放大模块104中的一一对应的放大器。模拟开关的实现方式可以是三极管或MOS管等。其中放大器的特点是低噪、高增益带宽积。

但是模拟开关的通断会引入不必要的噪声，且受模拟开关器件的隔离度的影响，也会引入通道间的电串扰。而这种噪声和电串扰，恰恰又可以被遮光组光电探测器和差分模块105处理掉。

图4中的供电模块101可以是RC电路组成的低通滤波器作为RC供电电路，用于调节SiPM偏压包括电阻和电容，电阻的第一端连接电源NHVDD，电阻的第二端连接电容的第一端且连接光电探测器模块102，电容的第二端接地。RC电路可以提供变化的电压如图5，这里的RC电路相当于一种低通滤波器，实现周期性变化的供电信号，而这种变化引入噪声，噪声又可以被遮光组光电探测器和差分模块105处理掉。

为了得到周期性变化的信号，一种供电模块101的实施方式如图6，电阻Rrc与电容Crc的连接点连接至光电探测器模块102，为光电探测器模块102供电。目的是在近距离的时候光电探测器的供电偏压小，增益小，从而可以解决近距离盲区的问题。

图4的光电探测器模块102中，采样电阻R1所在的硅光电倍增管单元代表遮光组光电探测器，R1输出的信号经过模拟开关和放大器之后作为所有差分模块105中的比较器的第二端的输入；其他的硅光电倍增管单元经过模拟开关和放大器之后作为其他比较器的第一端输入。最终每个比较器的输出连接至信号处理模块106。

结合上述的硅光电倍增管阵列的边缘区域的一部分硅光电倍增管遮光，一个实施方式如下：选用24通道的SiPM器件，在实际应用中，根据系统需求，选取中间的16路或者14路或者12路或者18路，确保正常光信号打入，对应的就有8通道或10通道或者12通道或者6通道用不到。为了消除串扰的噪声，就将用不到的通道用吸光泡棉或者低反射的材料挡住，我们选取边缘通道作为遮光组光电探测器，选取的边缘通道，既可以是两边最边缘的单通道，也可以是两边最边缘的双通道，由于处在边缘，加上吸光泡棉，就可以确保没有正常的光信号，但是这些通道会包含来自前级的RC供电电路开关电脉冲信号、SiPM器件自身的光串扰信号、后级模拟开关的开关信号以及通道串扰信号，这些都为噪声信号，在每个通道上都会有，而且大小一样，时间上也是同时出现，于是可以把这8路中的几路引出，和每一路有信号光的通道，接到差分运放上，进行差分处理。就可以减掉共模噪声、减少了电串扰，也减小了光串扰，从而提高了信号。

更具体来说，可以把SiPM器件的24通道从一个边缘到另一个边缘分别命名为1号通道、2号通道……24号通道，可以将1号通道、2号通道、23号通道、24号通道挡住，或者将1号通道、2号通道、3号通道、22号通道、23号通道、24号通道挡住。中间的5号通道～20号通道共16个通道是有正常光信号的。最好不选用4号和21号通道作为接到差分模块的遮光组光电探测器，因为它们距离正常光信号的通道太近，可能会受到光的干扰。因此，工作组光电探测器为中间的通道，遮光组光电探测器为最边缘的且与工作组光电探测器至少相隔一个通道的通道。

16个通道的电信号经过放大后，可以分别接到16个差分运放的同相输入端，1号通道接到第1～4个差分运放的反相输入端，2号通道接到第5～8个差分运放的反相输入端，23号通道接到第9～12个差分运放的反相输入端，24号通道接到第13～16个差分运放的反相输入端，这样可以让接线尽量短，信号更加均衡。

信号处理模块106的一种实施方式如图7，差分模块105的每个比较器输出的信号先经过滤波电路、比较器和时间数字转换器TDC实现了模拟信号转成数字信号，再输出至FGPA进而处理。

基于上述实施例，本申请实施例还提供一种激光雷达，包括上述的光接收端电路，原理和实现的有益效果与第一方面的光接收端电路一致。

基于上述实施例，本申请实施例提供一种光接收端处理方法，应用于上述的光接收端电路，本光接收端处理方法包括：

S1.工作组光电探测器接收正常光信号，并将光信号转化为电信号发送经过放大模块放大后至差分模块的第一端；遮光组光电探测器在与正常光信号隔绝的遮光情况下产生的噪声信号经过放大模块放大后发送至差分模块的第二端；

S2.差分模块将放大后的电信号与放大后的噪声信号作差，以产生消除噪声的待处理信号，并将待处理信号传输至信号处理模块。

本光接收端处理方法原理和实现的有益效果与上述的光接收端电路一致。

以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种光接收端电路，其特征在于，包括供电模块、光电探测器模块、放大模块、差分模块、信号处理模块；

所述供电模块、所述光电探测器模块、所述放大模块、所述差分模块、所述信号处理模块依次电连接；

所述光电探测器模块包括工作组光电探测器和遮光组光电探测器；

所述工作组光电探测器用于接收正常光信号，并将所述光信号转化为电信号经过所述放大模块放大后发送至所述差分模块的第一端；

所述遮光组光电探测器用于将在与所述正常光信号隔绝的遮光情况下产生的噪声信号经过所述放大模块放大后发送至所述差分模块的第二端；

所述差分模块用于将所述电信号与所述噪声信号作差，以产生消除噪声的待处理信号，并将所述待处理信号传输至所述信号处理模块。

2.如权利要求1所述的光接收端电路，其特征在于，所述光电探测器模块由硅光电倍增管阵列和采样电阻组成，选取所述硅光电倍增管阵列的边缘区域的一部分硅光电倍增管遮光作为所述遮光组光电探测器，其余的硅光电倍增管作为工作组光电探测器。

3.如权利要求2所述的光接收端电路，其特征在于，所述的硅光电倍增管阵列由多个相同的硅光电倍增管单元组成，多个硅光电倍增管单元与多个采样电阻一一对应；每个硅光电倍增管单元包括单光子雪崩光电二极管和淬灭电阻，所述的硅光电倍增管阵列采用共阳极接法，阳极与所述供电模块电连接；每个硅光电倍增管单元的阴极与其对应的采样电阻的第一端连接，且用于输出电压至放大模块，所述的采样电阻的第二端接地。

4.如权利要求1所述的光接收端电路，其特征在于，所述光接收端电路还包括开关模块，所述开关模块连接于所述光电探测器模块和所述差分模块之间。

5.如权利要求4所述的光接收端电路，其特征在于，所述开关模块包括多个模拟开关，所述光电探测器模块由多个硅光电倍增管单元组成，所述多个硅光电倍增管单元与所述多个模拟开关一一对应连接。

6.如权利要求5所述的光接收端电路，其特征在于，所述放大模块包括与所述多个模拟开关一一对应连接的相同的放大器件，所述放大器件的输入端连接所述模拟开关，所述放大器件的输出端连接所述差分模块。

7.如权利要求2所述的光接收端电路，其特征在于，硅光电倍增管阵列中，边缘通道进行遮光，中间通道不遮光，经过采样电阻将电流信号转换成电压信号，经过放大后，再接到差分模块；所述的差分模块包括多个差分运算放大器，每个差分运算放大器的第一端与所述的经过放大后的工作组的光电信号一一对应，第二端与经过放大后的遮光组的光电信号连接。

8.如权利要求1所述的光接收端电路，其特征在于，所述遮光组光电探测器的遮光材料为吸光泡棉。

9.如权利要求1所述的光接收端电路，其特征在于，所述供电模块包括电阻和电容组成的低通滤波器，所述低通滤波器的输入端连接电源，所述低通滤波器的输出端连接所述光电探测器模块。

10.一种激光雷达，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的光接收端电路。