一种激光雷达接收电路及激光雷达接收机的制作方法

1.本实用新型涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种激光雷达接收电路及激光雷达接收机。


背景技术：

2.在激光雷达测距中，特别是高速的三维激光雷达中，需要解决激光接收电路输入信号具有大动态范围的问题，如何提高单点单次测量精度的问题，以及如何处理单次脉冲激光发射至不同反射目标、会返回多次回波信号的问题。尤其是在汽车自动驾驶、机器人定位与引导等领域使用激光雷达时，外界环境复杂且快速多变，接收到的回波激光信号的动态范围很宽(1:10000，或者更大)，单个方位的测量点在一个周期内只能进行一次测量，并且要求单次测量的精度高。而单次脉冲激光发射后，在脉冲激光传输过程中可能会经过多个目标的反射，从而在接收端出现多次回波信号。接收系统必须尽可能区分多次回波信号，才能获得丰富的空间目标信息。
3.现有的雷达测距常采用自动增益控制方案，通过采集测量信号的大小，在下次测量时根据上次信号的大小来改变增益、改变激光发射功率；但是由于无法有效预测下次反射信号大小，因此具有盲目性，分辨率较低，无法对随机单次测距脉冲起有效作用。还有方案是输出多组不同增益大小的信号，用多路adc(模数转换)或tdc(time-to-digital converter)采样，缺点是电路复杂，成本高。


技术实现要素：

4.针对上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种激光雷达接收电路及激光雷达接收机，以解决现有雷达测距分辨率较低的问题。
5.本实用新型实施例提供一种激光雷达接收电路，其包括接收转换模块和电压输出模块，所述接收转换模块连接电压输出模块；
6.所述接收转换模块接收反射的激光脉冲回波并转为窄脉冲电流；所述电压输出模块将窄脉冲电流转换为对应的输出电压并对数放大；
7.所述接收转换模块检测没有激光脉冲回波时，根据输入的高压电源停止输出窄脉冲电流；所述电压输出模块对应停止生成输出电压。
8.可选地，所述的激光雷达接收电路中，所述接收转换模块包括限流器、第一电容、第一晶体管和光电转换器；
9.所述限流器的一端输入高压电源，限流器的另一端连接第一电容的一端和光电转换器的负极；光电转换器的正极连接第一晶体管的集电极、第一晶体管的基极和电压输出模块；第一电容的另一端和第一晶体管的发射极均接地。
10.可选地，所述的激光雷达接收电路中，所述第一晶体管为高速npn晶体管。
11.可选地，所述的激光雷达接收电路中，所述接收转换模块还包括第一电阻，所述第一电阻的一端连接光电转换器的正极和晶体管的基极，第一电阻的另一端连接电压输出模
块。
12.可选地，所述的激光雷达接收电路中，所述电压输出模块包括跨阻放大器、第二晶体管、反馈电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻；
13.所述跨阻放大器的反相输入端连接反馈电阻的一端、第二晶体管的集电极和第一电阻的另一端；跨阻放大器的同相输入端接地，跨阻放大器的电源端输入正电源，跨阻放大器的地端输入负电源；跨阻放大器的输出端连接反馈电阻的另一端和第二电阻的一端、并输出输出电压；第二电阻的另一端连接第三电阻的一端、第二晶体管的基极和第四电阻的一端；第三电阻的另一端接地，第二晶体管的集电极连接第四电阻的另一端并输入负电源。
14.可选地，所述的激光雷达接收电路中，所述跨阻放大器为高速跨阻放大器，第二晶体管是高速pnp晶体管。
15.可选地，所述的激光雷达接收电路中，所述电压输出模块还包括第二电容，所述第二电容的一端连接反馈电阻的一端和第二晶体管的发射极，第二电容的另一端连接第二晶体管的基极和第四电阻的一端。
16.可选地，所述的激光雷达接收电路中，所述电压输出模块还包括第三电容，所述第三电容的一端连接第二晶体管的集电极和负电源端，第三电容的另一端接地。
17.本实用新型实施例第二方面提供了一种激光雷达接收机，包括高压电路和稳压电路，其中，还包括激光雷达接收电路；所述激光雷达接收电路连接高压电路和稳压电路；
18.所述高压电路输出高压电源给激光雷达接收电路；
19.所述稳压电路输出负电源和正电源给激光雷达接收电路供电；
20.所述激光雷达接收电路接收反射的激光脉冲回波，进行电流电压转换和对数放大，生成对应的输出电压；
21.所述激光雷达接收电路检测没有反射时，根据高压电源停止生成输出电压。
22.本实用新型实施例提供的技术方案中，所述激光雷达接收电路包括接收转换模块和电压输出模块，所述接收转换模块连接电压输出模块；所述接收转换模块接收反射的激光脉冲回波并转为窄脉冲电流；所述电压输出模块将窄脉冲电流转换为对应的输出电压并对数放大；所述接收转换模块检测没有激光脉冲回波时，根据输入的高压电源停止输出窄脉冲电流；所述电压输出模块对应停止生成输出电压。实现了窄脉冲电流至电压的转换，还通过对数放大扩大了测量动态范围，提高了测距分辨率，实现了窄脉冲放大功能。
附图说明
23.图1为本实用新型实施例中激光雷达接收机的结构示意图。
24.图2为本实用新型实施例中激光雷达接收电路的电路示意图。
25.图3为本实用新型实施例中窄脉冲电流与输出电压的关系曲线图。
具体实施方式
26.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、完整地描述，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。本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动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。
27.请同时参阅图1和图2，本实用新型实施例提供的激光雷达接收机包括一主板，所述主板上设有激光雷达接收电路10、高压电路20和稳压电路30，所述激光雷达接收电路10连接高压电路20和稳压电路30；所述高压电路20输出高压电源hvcc给激光雷达接收电路10，稳压电路30输出负电源v-和正电源 v+给激光雷达接收电路10供电；所述激光雷达接收电路10接收反射的激光脉冲回波，进行电流电压转换和对数放大，生成对应的输出电压；所述激光雷达接收电路10检测没有反射时，根据高压电源hvcc将输出电压置零(即停止生成输出电压)。
28.本实施例中，所述激光雷达接收电路10包括接收转换模块110和电压输出模块120，所述接收转换模块110连接电压输出模块120；所述接收转换模块110 接收反射的激光脉冲回波并转为窄脉冲电流，电压输出模块120将窄脉冲电流转换为对应的输出电压并对数放大。所述激光雷达接收电路基于tof(time offlight，飞行时间测距法)原理，实现了窄脉冲电流至电压的转换，还通过对数放大扩大了测量动态范围，提高了测距分辨率，实现了窄脉冲放大功能。所述接收转换模块检测没有激光脉冲回波时，根据输入的高压电源停止输出窄脉冲电流；所述电压输出模块对应停止生成输出电压。
29.如图2所示，所述接收转换模块110包括限流器r、第一电容c1、第一晶体管q1和光电转换器d1；所述限流器r的一端输入高压电源hvcc，限流器r的另一端连接第一电容c1的一端和光电转换器d1的负极；光电转换器d1的正极连接第一晶体管q1的集电极、第一晶体管q1的基极和电压输出模块120；第一电容c1的另一端和第一晶体管q1的发射极均接地。
30.其中，所述限流器r可采用电阻或恒流二极管之类的具有限流作用的器件，用于保护光电转换器d1，避免光电转换器d1被长时间的持续的大电流损坏。第一晶体管q1为高速npn晶体管(也可替换为高速二极管)，第一电容c1 为滤波电容；光电转换器d1可采用pin(p型半导体-杂质-n型半导体)或apd (avalanche photo diode，雪崩二极管)等器件。所述高压电源hvcc的电压大小直接影响光电转换器d1的增益，光电转换器d1的最佳偏置电压为100v到 160v，且随温度变化。
31.没有反射激光脉冲回波时，高压电源hvcc经过限流器r和第一电容c1组成的低通滤波电路后，为光电转换器件d1提供低纹波的偏置电源，第一晶体管q1截止(即不导通)，此时无窄脉冲电流输出。
32.反射激光脉冲回波时，光电转换器d1接收被目标反射的激光脉冲回波并转换为窄脉冲电流，将窄脉冲电流传输给电压输出模块。当光电转换器d1输出的窄脉冲电流大于预设值时第一晶体管q1导通，把窄脉冲电流泄放到地，保护电压输出模块中的跨阻放大器a1的同时降低跨阻放大器a1输出的饱和输出宽度。
33.优选地，所述接收转换模块110还包括第一电阻r1，所述第一电阻r1 的一端连接光电转换器d1的正极和晶体管q1的基极，第一电阻r1的另一端连接电压输出模块120。所述第一电阻r1用于为跨阻放大器a1提供负载，提高第一晶体管q1的保护能力。当光电转换器d1的结电容大于设定值时，跨阻放大器a1对高频噪声增益很高，跨阻放大器a1容易自激振荡，通过设置第一电阻r1可以起到阻尼振荡的作用。
34.本实施例中，所述电压输出模块120包括跨阻放大器a1、第二晶体管 q2、反馈电阻rf、第二电阻r2、第三电阻r3和第四电阻r4；所述跨阻放大器a1的反相输入端连接反馈电阻rf的一端、第二晶体管q2的集电极和第一电阻r1的另一端；跨阻放大器a1的同相输入端接
地，跨阻放大器a1 的电源端连接正电源端(输入正电源v+)，跨阻放大器a1的地端连接负电源端(输入负电源v-)；跨阻放大器a1的输出端(连接现有的采样电路)连接反馈电阻rf的另一端和第二电阻r2的一端、并输出输出电压out；第二电阻 r2的另一端连接第三电阻r3的一端、第二晶体管q2的基极和第四电阻r4 的一端；第三电阻r3的另一端接地，第二晶体管q2的集电极连接第四电阻 r4的另一端和负电源端。
35.其中，所述跨阻放大器a1为高速跨阻放大器，其用于将光电转换器d1 输出的小的窄脉冲电流(即窄脉冲电流)转换为电压信号。则跨阻放大器a1 的输出电压out的电压值u0＝-i
×
r_f，其中，i为光电转换器d1输出的窄脉冲电流的电流值，r_f为反馈电阻rf的阻值。负电源v-和正电源v+由外部的稳压电路提供，跨阻放大器a1要求的电压范围是从
±
1.35v～
±
5v。
36.所述第二晶体管q2是射频的高速pnp晶体管，当光电转换器d1输出的窄脉冲电流比较大，如超出了跨阻放大器a1的线性范围时，跨阻放大器a1 的输出电压out很高，此时第二晶体管q2快速导通，第二晶体管q2与跨阻放大器a1之间组成了一个高速电流-电压转换的对数放大电路，跨阻放大器 a1的输出电压out被钳位，大大降低了跨阻放大器a1输出的饱和脉冲的宽度，即可降低激光雷达的测量盲区，还便于后续采样电路(现有的adc(模数转换)或tdc(time-to-digital converter)电路对跨阻放大器a1的输出电压的解析，相应的提高了激光雷达接收返回激光脉冲时的测距分辨率，提高了回波信号的分辨率。
37.所述第二电阻r2、第三电阻r3和第四电阻r4为第二晶体管q2的基极提供合适的偏压，选取合适的偏压值就能在光电转换器d1输出的窄脉冲电流 (即窄脉冲电流)过大时，由第二晶体管q2起到分流作用。同时，由于第二晶体管q2集电极的输出电流i与q2的基极与发射极的电压差u的关系式为： i＝is[exp(u/ut)-1]，其中is为晶体管q2的反向饱和电流，其大小一般为10～-12 安培到10～-18安培的数量级。
[0038]
ut为温度电压当量，常温(t＝300k)下为26mv。ut＝k
×
t/q(k是玻尔兹曼常数，t为热力学温度，q是电子电荷量)。而被q2的基极分流的电流大小为i/β，β为q2的电流放大系数，其值一般为50到250。
[0039]
优选地，所述电压输出模块120还包括第二电容c2，所述第二电容c2 的一端连接反馈电阻rf的一端和第二晶体管q2的发射极，第二电容c2的另一端连接第二晶体管q2的基极和第四电阻r4的一端。所述第二电容c2与反馈电阻rf并联，为跨阻放大器a1的输出电压提供低通滤波作用。
[0040]
优选地，所述电压输出模块120还包括第三电容c3，所述第三电容c3 的一端连接第二晶体管q2的集电极和负电源端，第三电容c3的另一端接地。所述第三电容c3用于为负电源v-(此处为参考电压)滤波。
[0041]
请继续参阅图2，所述激光雷达接收电路的工作原理为:
[0042]
当没有反射激光脉冲回波时，高压电源hvcc经过限流器r和第一电容 c1组成的低通滤波电路后，为光电转换器d1提供低纹波的偏置电源，第一晶体管q1不导通，则光电转换器d1输出的窄脉冲电流i为0。跨阻放大器 a1的跨阻放大器a1输出脚上的输出电压out的电压值u0＝-i
×
r_f＝0v。
[0043]
有反射时，光电转换器d1接收反射的激光脉冲回波并转为窄脉冲电流i (一种窄脉冲电流)，窄脉冲电流i与反馈电阻rf的乘积小于第二晶体管q2 的基极与发射极的导通
电压vbe(其大小范围一般为0.5v到0.7v)时，第二晶体管q2保持截止(因为第一电阻r1的阻值远小于反馈电阻rf，所以此时q2必定也截止)，跨阻放大器a1的输出电压out的电压值u0＝-i
×
r_f。
[0044]
当输出电压out大于第二晶体管q2的基极与发射极的导通电压vbe时，假设跨阻放大器a1为理想运算放大器，则其正相输入端和反相输入端的电平相等时，称为虚短。第二晶体管q2的发射极电压为0，第二晶体管q2的基极电压可设为vb时，q2的基极与发射极的电压差即为vb，并且通过反相输入端输入到a1内部的电流近似为零，称为虚断。由于流入流出q2基极节点的电流之和为零，利用节点电流定律得到：
[0045]
(vr-vb)/r_4+(i+u0/r_f)/β+(0-vb)/r_3+(u0-vb)/r_2＝0。(公式1)
[0046]
其中vr为负电源v-的电压值，β为q2的电流放大系数，u0为输出电压 out的电压值，vb为q2的基极电压，i为光电转换器d1输出的窄脉冲电流的电流值，r_2为第二电阻r2的阻值，r_3为第三电阻r3的阻值，r_4为第四电阻r4的阻值。结合公式i＝is[exp(u/ut)-1]，被q2的集电极分流的电流大小为i，可得出vb＝-ut
×
ln[1+(i+u0/r_f)/is]，带入公式(1)则可以得到关于窄脉冲电流i与a1的输出电压out的隐函数。
[0047]
在具体实施时，可设vr＝-5v，r_f＝100000欧姆，r_2＝681欧姆，r_3＝100 欧姆，r_4＝1000欧姆。求得u0＝3405-8.49ut
×
ln[1+(i+u0/rf)/is]-681
×
i/β。略去上式中的小项681
×
i/β及自然对数里面的1，因此可得到： u0＝3405-8.49ut
×
ln[(i+u0/rf)/is]。则得出解析式：i＝is
×ꢀ
exp(3405-u0)/8.49/ut-u0/rf。取ut＝26mv，r_f＝100000欧姆，is＝0.437
×ꢀ
10^-12ma，则可作出光电转换器d1输出的窄脉冲电流i与跨阻放大器a1的输出电压out的函数曲线，如图3所示。从3图中可以看出，当窄脉冲电流i 小于0.017ma时，u0小于1500mv，i与u0近似成线性关系。当窄脉冲电流 i大于0.017ma时，u0大于1500mv，此时i与u0进入对数区间。
[0048]
综上所述，本实用新型提供的激光雷达接收电路及激光雷达接收机，通过高速pnp晶体管、高速跨阻放大器、反馈电阻等器件组成高速电流-电压转换和对数放大的电路，即可实现瞬时动态压缩的高增益、大动态范围、窄脉冲放大的功能，使激光雷达既能对远距离目标小信号进行分辨，又不会阻塞近距离目标大信号，克服了自动增益控制方案无法对随机单次测距脉冲起有效作用的缺点，具有小信号增益高，输入动态范围大、信号延时短、大信号放大后展开小等优点；并且还具有稳定可靠、体积小、重量轻等特点，适用于整机的小型化和轻量化发展。
[0049]
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。