接收光脉冲的接收器组件、LiDAR模组和接收光脉冲的方法技术

本发明专利技术提出了一种接收光脉冲的接收器组件、LiDAR模组以及接收光脉冲的方法。在此，设置有至少一个光敏的接收器(SPAD)，该光敏的接收器将光脉冲转换为电信号。设置有与接收器联接的评估电路，该评估电路借助于与时间相关的光子计数通过至少一个关于光脉冲的飞行时间的直方图由电信号确定在接收器组件与反射光脉冲的至少一个物体之间的距离。所评估的电路被配置为使得评估电路从至少一个预定的距离起施行距离确定的分辨率的降低。

Receiver Module, LiDAR Module and Method of Receiving Optical Pulse

【技术实现步骤摘要】
接收光脉冲的接收器组件、LiDAR模组和接收光脉冲的方法
本专利技术涉及按独立权利要求的类属的用于接收光脉冲的接收器组件和LiDAR模组(激光雷达模组(Modul))以及用于接收光脉冲的方法。
技术介绍
由US9,268,012B2实现了用于借助二维的平面激光器场对物体进行三维检测的设备和方法。在此，在该激光器场中还是用单独激光器的组。这些激光器是所谓的VCSEL(verticalcavitysurfaceemittinglasers(垂直腔面发射激光器))并且通常由半导体制成。相应的使激光射束平行化的光学器件已被公开。此外，使用了光电探测器，它们以随机或规则的图案布置。在光电探测器的前面布置有微透镜阵列，使得每个光电探测器对应于相应的微透镜。这些微透镜也布置在激光器场的前面。
技术实现思路
相比之下，根据本专利技术的具有独立权利要求的特征的用于接收光脉冲的接收器组件或LiDAR模组或用于接收光脉冲的方法所具有的优点在于，与光敏的接收器连接的评估电路，借助于与时间相关的光子计数通过至少一个关于光脉冲的飞行时间的直方图，由源自接收器的电信号确定在接收器组件与反射所确定的光脉冲的至少一个物体之间的距离。在这种情况下，针对光脉冲的发射使用开始信号，以便获得飞行时间的开始时间点。评估电路从至少一个预定的距离起施行距离确定的分辨率降低。通过使用与时间相关的光子计数可以实现非常准确的距离确定，并且距离确定的分辨率的降低意味着对于直方图的存储空间的要求减小，因而支出的成本和耗费更小。例如，距离确定的以系数2降低导致在数厘米内的不确定性，这例如100或150米的距离起是完全可以接收的，并且例如对于针对可能的碰撞的物体确定而言不会产生缺点。接收器组件或LiDAR模组或根据本专利技术的方法特别是被考虑用于车辆。在此，LiDAR技术已被证明是特别适用于例如与其他环境传感器，比如摄像机、雷达和/或超声组合地施行准确的物体分类和距离确定。接收器组件用于接收已被周边环境中的物体或车辆的物体反射的光脉冲，特别是激光脉冲。因此，然后可以识别或表征这些物体，并且特别是至少可以进行距离确定。接收器组件可以作为模组安装或者安装在车辆中。但也可能是接收器组件由不同的部分组成，这些部分分开地安装在车辆中，并且然后根据本专利技术进行协作并相应地连接。如已经提到的那样，光脉冲通常是由例如具有激光器场或激光器阵列的发送器电路输出的激光脉冲。由此特别是可以通过所谓的飞行时间(timeofflight)确定距离，这是因为飞行时间对应于光从接收器组件到物体并再次返回的所需的距离的两倍。这些光脉冲通常优选地在红外范围内发出激光脉冲。也可以在可见区域发送它们。相应地，对于期望的光而言，发送器即例如激光器还有接收器即通常的光电二极管被设计为使得发出的光也可以由接收器接收。激光器优选是由化合物半导体制成的半导体激光器。激光脉冲以特定频率或周期发出，其产生距离物体300米远的测量。因此，这种光敏的接收器是将光脉冲转换成电信号的转换器。在此，光脉冲的光子由光接收器转换成电流。如从从属权利要求中得出的那样，通常将单光子雪崩二极管(SPAD＝SinglePhotonAvalancheDiode)的场设置为接收器，其能逐列或逐行地依赖于信号地被激活。也就是说，在该示例中，激光器阵列同样被逐列或逐行操控，并且因此光电二极管阵列中的相应的列或行被选择给接收器。由此能够实现扫描环境。具体而言，这意味着，在激光器阵列的第一列发送光脉冲时，光电二极管阵列中的第一列或行的按如下方式被操控，即，使得仅该第一列或行准备用于接收在物体处反射的光脉冲。电信号(即脉冲或脉冲序列)或具有关于接收光脉冲的信息的不同种类的信号被输送给评估电路。在相应的预处理之后，该电信号通过至少一个直方图进入与时间相关的光子计数，以便通过光脉冲的飞行时间确定接收器阵列与反射光脉冲的至少一个物体之间的距离。在储存在存储器中的直方图中(其中直方图也可以是多个)，光子以及因此在由通过评估电路并且特别是通过与时间相关的光子计数获知的各个时间的相应的电信号被存储。通过每个周期的多次测量(其中射出光脉冲或光脉冲的组)，于是可以通过最大搜索来获知时间，该时间最频繁地发生并且然后用作飞行时间。由此，可以通过光速以简单的方式确定距离。如从从属权利要求中得出的那样，至少一个时间数字转换部(TimetoDigitalConverter)可用于与时间相关的光子计数。利用该电路，每个电信号被分配相应的时间，并且然后将其储存在直方图中。该时间分辨率对应于空间分辨率。根据本专利技术现在已经认识到，可以针对更大的距离降低空间分辨率。这是因为，分辨率仅变得如此粗糙，即，在这些距离的情况下降低分辨率对于距离确定的不再重要。例如，因此可以以系数2降低距离确定的分辨率并因此降低时间分辨率，其可以使存储成本降低一半。例如，时间数字转换部的典型时间分辨率是125ps。将其加倍，时间分辨率为250ps。在与时间相关的光子计数中，光脉冲的各个光子被探测并计数并被输入直方图中，确切地说是从时间上看一个或多个光子出现的位置。光脉冲的发射和计数重复多次。由此实现了激光脉冲的非常准确的时间测量。例如，物体被发送装置以许多光子击中，然后这些光子由接收器组件接收。由于频繁重复这种光子确定，可以准确地就其飞行时间确定光脉冲。为此例如可以使用模-数转换器，并且特别是将测量的光子时间输入到存储器中的直方图中，并且然后在最后通过逻辑电路确认最大值。在当前情况下，本专利技术的有利设计方案使用了具有500MHz至2GHz的时间分辨率的快速模-数转换器。利用所谓的对数闪存模-数转换器，可以成本低廉地实现这一点。在这种情况下，将电压施加到电阻器的串联电路，其中在电阻器上，输入端与比较器相联。这种串联电路用英文称为voltageladder(电压梯)。该方法的优点是，利用与时间相关的光子计数可以探测很远处的物体的弱的接收信号。由于多次重复测量并在直方图中积累，可以提高相对于干扰性的周边环境光的有用信号，然而，10GHz量级的高扫描率的现实化目前无法成本低廉地实现。评估电路应该如以上所示的那样从至少一个预定的距离降低分辨率。这是可以控制的，即，已经预先给出了，在对于特定的时间段的特定的时间简单地进行并且因此不能识别该时段中的较短距离，或者可以自适应地执行，由于至少一个距离估算，当物体接近时，分辨率可以向下切换或然后还再次增加。评估电路可以组成为集成的半导体模块，其例如由硅或不同的半导体模块制成，或者也可以以离散的电和电子模块的组合组成。物体通常可以是另一车辆、行人、诸如石头的固定物体、交通标志等。针对光脉冲的发射的开始信号表示由发送器电路(该发送器电路具有用于发射光脉冲的激光器)传递到接收器组件并且然后当发生光脉冲发射的信号，确切地说，通过该开始信号表示光脉冲的飞行时间的时间上的零点。该开始信号可以电地实施，是方案并且然后通过相应的接口传递给接收器组件。另一种替选是利用发射的光，即，发送的光也直接耦合到接收器组件，然后转换成电开始信号。开始信号的信息可以是数字或模拟调制的。距离确定的分辨率的降低所意味的是，如上所示那样，最小的时间分辨率增加，即，代替如上所示的125ps地，其为250ps。这对应于空间分辨率本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于接收光脉冲的接收器组件，所述接收器组件具有‑至少一个光敏的接收器(SPAD)，所述光敏的接收器将光脉冲转换为电信号，‑与接收器联接的评估电路，所述评估电路借助于与时间相关的光子计数通过至少一个关于光脉冲的飞行时间的直方图并且依赖于针对光脉冲的开始信号地由所述电信号确定在所述接收器组件与反射光脉冲的至少一个物体之间的距离，其中所述评估电路被配置为使得评估电路从至少一个预定的距离起施行距离确定的分辨率的降低。

【技术特征摘要】
2018.03.08 DE 102018203534.21.用于接收光脉冲的接收器组件，所述接收器组件具有-至少一个光敏的接收器(SPAD)，所述光敏的接收器将光脉冲转换为电信号，-与接收器联接的评估电路，所述评估电路借助于与时间相关的光子计数通过至少一个关于光脉冲的飞行时间的直方图并且依赖于针对光脉冲的开始信号地由所述电信号确定在所述接收器组件与反射光脉冲的至少一个物体之间的距离，其中所述评估电路被配置为使得评估电路从至少一个预定的距离起施行距离确定的分辨率的降低。2.根据权利要求1所述的接收器组件，其特征在于，所述评估电路具有控制部(ST)，所述控制部针对预定的时间区段降低用于由所述电信号来确定距离的节拍。3.根据权利要求2所述的接收器组件，其特征在于，所述评估电路具有至少一个用于与时间相关的光子计数的时间数字转换器，其中所述控制部(ST)降低至少一个时间数字转换器(TDC)的节拍。4.根据权利要求1所述的接收器组件，其特征在于，所述评估电路具有扫描器，所述扫描器由所述电信号来产生扫描值，其中，所述评估电路具有扫描值的信号处理部，所述信号处理部汇总扫描值，以便达到...

【专利技术属性】
技术研发人员：拉尔夫·伯斯舍尔，云萨尔·卡布克，
申请(专利权)人：ZF腓德烈斯哈芬股份公司，爱贝欧汽车系统有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE