基于脉冲回波超高速采样重构的激光雷达读出电路制造技术

本发明专利技术涉及激光雷达领域，为能够在避免行走误差和降低功耗的情况下实现脉冲回波的超高速采样来获得重构图像。本发明专利技术，基于脉冲回波超高速采样重构的激光雷达读出电路，由跨阻放大器TIA，比较器COMP，高速采样电路HSH，延时电路Delay，时间‑数字转化器TDC和模数转换器LADC组成，其中TDC与激光发射器相连接，跨阻放大器TIA与线性雪崩光电二极管APD相连接，LADC进行输出，跨阻放大器TIA同时和比较器COMP、高速采样电路相连接，比较器COMP后接一个延时电路Delay，延时电路Delay连接着TDC和高速采样模块，TDC与高速采样模块均和LADC相连。本发明专利技术主要应用于激光雷达的设计制造。

Lidar Readout Circuit Based on Ultra-high Speed Sampling and Reconstruction of Pulse Echo

The invention relates to the field of lidar, in order to realize ultra-high-speed sampling of pulse echo to obtain reconstructed image without walking error and reducing power consumption. The lidar readout circuit based on ultra-high speed sampling and reconstruction of pulse echo consists of a transimpedance amplifier TIA, a comparator COMP, a high speed sampling circuit HSH, a delay circuit Delay, a time-digital converter TDC and an analog-to-digital converter LADC, in which TDC is connected with a laser emitter, a transimpedance amplifier TIA is connected with a linear avalanche photodiode APD, and LADC is output across. Resistance amplifier TIA is connected with COMP and high-speed sampling circuit at the same time. Comparator COMP is followed by a delay circuit Delay, which connects TDC and high-speed sampling module. TDC and high-speed sampling module are connected with LADC. The invention is mainly applied to the design and manufacture of lidar.

【技术实现步骤摘要】
基于脉冲回波超高速采样重构的激光雷达读出电路
本专利技术适用于激光雷达领域，涉及对激光雷达回波脉冲信号的高速采样并且重构技术。
技术介绍
激光雷达技术对自动驾驶而言是至关重要的，他可以通过对距离信息的精准探测，从而进行3D成像和地图测绘，进而实现目标识别，导航和避障的功能。介于上述功能，激光雷达同样也广泛应用于无人机，机器人，地形测绘，农业生产等领域。车载激光雷达实现精确测距的原理是飞行时间法(TOF)。TOF的过程是，激光器发射一束激光的同时开始计时，当激光遇到障碍物时会在障碍物表面发生反射，反射光线经过接收光学后照射到探测器上，探测器探测到光线时停止计时，往返所用的时间为t，则探测器到障碍物的距离d＝t*C/2.因为光线在任何情况下都是相对稳定的，所以我们认为这样得到的距离信息是精准的。但是现有的技术存在较大误差，对于调频(chirp)线性度要求很高，调频线性度直接影响测距精度；目前集成的调频方式还不是很成熟(例如Strobe的基于WGM模式的调频激光)，其他的调频方式(例如光纤、MEMS)存在成本、体积等问题需要解决。走运算放大器(OPA)方向的公司倾向于选择连续调频波(FMCW)测距，原因有二：调频连续波的扫频可以作为其中一维的扫描方式，弥补硅OPA只能做一维扫描，二维扫描技术难度过大等缺陷；FMCW结合其他频域或者与本地信号相干的信号处理方法，相比时域的脉冲法直接测距，有可能在较低功率激光发射端的情况下获得较远的测量距离，而硅OPA方案的最大功率和效率都恰恰是个大问题。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术旨在通过所设计的激光雷达专用芯片能够在避免行走误差和降低功耗的情况下来实现脉冲回波的超高速采样并用上位机进行算法处理来获得重构图像。为此，本专利技术采取的技术方案是，基于脉冲回波超高速采样重构的激光雷达读出电路，由跨阻放大器TIA，比较器COMP，高速采样电路HSH，延时电路Delay，时间-数字转化器TDC和模数转换器LADC组成，其中TDC与激光发射器相连接，跨阻放大器TIA与线性雪崩光电二极管APD相连接，LADC进行输出，跨阻放大器TIA同时和比较器COMP、高速采样电路相连接，比较器COMP后接一个延时电路Delay，延时电路Delay连接着TDC和高速采样模块，TDC与高速采样模块均和LADC相连。跨阻放大器TIA用于将线性APD输出的脉冲光电流信号转化为脉冲电压信号，具体结构如下：APD探测器小信号阻抗Rin连接电压放大器同相输入端寄生电容Cin，输出端与同相输入端之间接有反馈电阻Rf，电压放大器等效电容Cf与反馈电阻并联，电压放大器的传输函数为Av，在直流情况下，当Av足够大时，增益约为Rf，当输入信号频率很高时，增益为(1+cs/cf)。比较器用于将跨阻放大器TIA的输出电压信号与设定的阈值电压进行比较，具体结构包括串接的前置放大器和缓冲器。高速采样电路用于将跨阻放大器TIA输出的电压信号进行高速采样，由若干个单元构成，每个单元由一个延迟单元，一个控制开关和一个采样单元构成，延时单元包含两个反相器，延时单元的输出与控制开关相连接，控制开关与采样单元相连接，延时单元的输入信号为TIMEDELAY-CON和WIN-CON，采样单元包含两个开关，一个采样电容和一个缓冲器，延时单元的输出信号和VIN将会作为其输入信号。时间数字转换器TDC电路由两部分实现：一个粗TDC和一个细TDC，采用线性反馈移位寄存器LFSR来实现粗TDC，能够在保证电路性能的前提下实现紧凑的电路面积；细TDC采用延时线型TDC来实现。整个激光雷达专用芯片的工作时序如下：每一次脉冲信号发射之前都要通过RESET对电路进行复位，当激光器发射脉冲激光时，开始START信号输入给TDC，使其开始计时，设开始时间为T0；激光脉冲经过发射光学系统整形后照射到目标物体上，在目标物体表面发生反射，反射后的光束经过接收光学系统后由线性APD接收，将脉冲光信号转化为脉冲电流信号，电流脉冲信号流入跨阻放大器中；脉冲电流信号经过跨阻放大器TIA后将会输出为脉冲电压信号，输出的脉冲电压信号分别流入比较器和高速采样电路中；脉冲电压信号进入比较器后将会和设定的参考电平Vref进行比较，如果大于参考电平，比较器将会输出一个触发信号，产生触发信号的时间长度为Ts，产生的触发信号将会传递到延时电路，延时电路通过控制电压根据高速采样电路的时间进行延时时间调整，保证高速采样电路完整地进行采样，不发生数据丢失；脉冲电压信号进入高速采样电路后开始被采样，通过外供TIMEDELAY_CON信号、WIN_CON信号和ENWRITE信号来控制采样和输出，触发信号通过延时电路后将会传递到TDC使其停止计时，TDC将光子飞行时间内经过的时钟周期个数进行计数来测量光子的飞行时间，同时采样电路接收到触发信号后停止采样，然后读出时钟控制LADC将高速采样电路采样到的信号进行低速输出进行算法处理获得重构图像，在下一束激光脉冲接收之前都能够用来传输信号。本专利技术的特点及有益效果是：本专利技术将会提高激光脉冲回波的采样速度，有效避免行走误差的产生，并且只要求低速ADC进行数字化即可，减小了ADC产生的功耗。附图说明：图1是基于脉冲回波超高速采样重构的激光雷达读出电路结构图。图2是跨阻放大器的结构图。图3为比较器的电路结构图。图4是两级高速采样电路级联关系图。具体实施方式本专利技术实例利用的是飞行时间法(TOF)，旨在通过所设计的激光雷达读出电路来实现对脉冲回波的高速采样并且用低速模拟-数字转换器(LADC)进行低速输出后经过算法处理来得到重构图像，能够有效避免行走误差的产生和降低芯片的功耗。本专利技术旨在通过所设计的激光雷达专用芯片能够在避免行走误差和降低功耗的情况下来实现脉冲回波的超高速采样并用上位机进行算法处理来获得重构图像。为此，本专利技术采取的技术方案是，基于脉冲回波超高速采样重构的激光雷达读出电路，由跨阻放大器TIA，比较器COMP，高速采样电路HSH，延时电路Delay，时间-数字转化器TDC和模数转换器LADC组成，其中TDC与激光发射器相连接，跨阻放大器TIA与线性雪崩光电二极管APD相连接，LADC进行输出，跨阻放大器TIA同时和比较器COMP、高速采样电路相连接，比较器COMP后接一个延时电路Delay，延时电路Delay连接着TDC和高速采样模块，TDC与高速采样模块均和LADC相连。跨阻放大器TIA用于将线性APD输出的脉冲光电流信号转化为脉冲电压信号，具体结构如下：APD探测器小信号阻抗Rin连接电压放大器同相输入端寄生电容(Cin)，输出端与同相输入端之间接有反馈电阻Rf，电压放大器等效电容Cf与反馈电阻并联，电压放大器的传输函数为Av，在直流情况下，当Av足够大时，增益约为Rf，当输入信号频率很高时，增益为(1+cs/cf)。比较器用于将跨阻放大器TIA的输出电压信号与设定的阈值电压进行比较，具体结构包括前置放大器和缓冲器。前置放大器是开环电路，可以提高增益。高速采样电路用于将跨阻放大器TIA输出的电压信号进行高速采样，由若干个单元构成，每个单元由一个延迟单元，一个控制开关和一个采样单元构成，需要注意的是，这个延时单元为采样模块的内部结构，与延时模块有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于脉冲回波超高速采样重构的激光雷达读出电路，其特征是，由跨阻放大器TIA，比较器COMP，高速采样电路HSH，延时电路Delay，时间‑数字转化器TDC和模数转换器LADC组成，其中TDC与激光发射器相连接，跨阻放大器TIA与线性雪崩光电二极管APD相连接，LADC进行输出，跨阻放大器TIA同时和比较器COMP、高速采样电路相连接，比较器COMP后接一个延时电路Delay，延时电路Delay连接着TDC和高速采样模块，TDC与高速采样模块均和LADC相连。

【技术特征摘要】
1.一种基于脉冲回波超高速采样重构的激光雷达读出电路，其特征是，由跨阻放大器TIA，比较器COMP，高速采样电路HSH，延时电路Delay，时间-数字转化器TDC和模数转换器LADC组成，其中TDC与激光发射器相连接，跨阻放大器TIA与线性雪崩光电二极管APD相连接，LADC进行输出，跨阻放大器TIA同时和比较器COMP、高速采样电路相连接，比较器COMP后接一个延时电路Delay，延时电路Delay连接着TDC和高速采样模块，TDC与高速采样模块均和LADC相连。2.如权利要求1所述的基于脉冲回波超高速采样重构的激光雷达读出电路，其特征是，跨阻放大器TIA用于将线性APD输出的脉冲光电流信号转化为脉冲电压信号，具体结构如下：APD探测器小信号阻抗Rin连接电压放大器同相输入端寄生电容Cin，输出端与同相输入端之间接有反馈电阻Rf，电压放大器等效电容Cf与反馈电阻并联，电压放大器的传输函数为Av，在直流情况下，当Av足够大时，增益约为Rf，当输入信号频率很高时，增益为(1+cs/cf)。3.如权利要求1所述的基于脉冲回波超高速采样重构的激光雷达读出电路，其特征是，比较器用于将跨阻放大器TIA的输出电压信号与设定的阈值电压进行比较，具体结构包括串接的前置放大器和缓冲器。4.如权利要求1所述的基于脉冲回波超高速采样重构的激光雷达读出电路，其特征是，高速采样模块用于将跨阻放大器TIA输出的电压信号进行高速采样，由若干个单元构成，每个单元由一个延迟单元，一个控制开关和一个采样单元构成，延时单元包含两个反相器，延时单元的输出与控制开关相连接，控制开关与采样单元相连接，延时单元的输入信号为TIMEDELAY-CON和WIN-CON，采样单元包含两个开关，一个采样电容和一个缓冲器，延时单元的输出信号和VIN将会作为其输入...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵毅强，夏显召，叶茂，周意遥，王佩瑶，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12