CN112782672A - 激光雷达接收端组件、其故障诊断方法以及激光雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可用于激光雷达接收端的故障诊断方法，其中所述激光雷达接收端包括光电传感器、跨阻放大单元以及模数转换器，其中所述跨阻放大单元可放大所述光电传感器的输出，所述模数转换器可将所述跨阻放大单元的输出进行模数转换，其中所述故障诊断方法包括：向所述跨阻放大单元输入测试信号；根据所述模数转换器的输出，判断所述激光雷达接收端是否存在故障。
Description
技术领域
本发明大致涉及光电技术领域，尤其涉及激光雷达接收端组件、其故障诊断方法以及激光雷达。
背景技术
激光雷达LiDAR是激光主动探测传感器设备的一种统称，其工作原理大致如下：激光雷达的发射器发射出一束激光，激光光束遇到物体后，经过漫反射，返回至激光接收器，雷达模块根据发送和接收信号的时间间隔乘以光速，再除以2，即可计算出发射器与物体的距离。根据激光线束的多少，通常有例如单线激光雷达、4线激光雷达、8/16/32/64线激光雷达等。一个或多个激光束在竖直方向沿着不同的角度发射，经水平方向扫描，实现对目标区域三维轮廓的探测。多个测量通道(线)相当于多个倾角的扫描平面，因此垂直视场内激光线束越多，其竖直方向的角分辨率就越高，激光点云的密度就越大。
激光雷达体积较小，内部安装容纳了数目非常多的电子元器件和电路。以机械式激光雷达激光接收端的电路设计为例，其内部例如包括有APD、TIA、Demux、Mux、高压驱动电路等光电器件。各个部件可能会发生故障，例如失效，短路、开路、卡滞等。目前的激光雷达并无探测手段，存在器件损坏导致激光并未发射成功***却无法探知，当作前方没有障碍物存在处理的问题。目前亟待解决当雷达作为感知的关键传感器应用于自动驾驶时，存在器件失效引起安全风险的问题。
背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。
发明内容
有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明提供一种可用于激光雷达接收端的故障诊断方法，其中所述激光雷达接收端包括光电传感器、跨阻放大单元以及模数转换器，其中所述跨阻放大单元可放大所述光电传感器的输出，所述模数转换器可将所述跨阻放大单元的输出进行模数转换，其中所述故障诊断方法包括：
向所述跨阻放大单元输入测试信号；
根据所述模数转换器的输出，判断所述激光雷达接收端是否存在故障。
根据本发明的一个方面，所述根据模数转换器的输出判断激光雷达接收端是否存在故障步骤包括：将所述模数转换器的输出，与预设的波形进行比较，以判断所述激光雷达接收端是否存在故障以及故障的类型。
根据本发明的一个方面，所述故障包括以下中的一种或多种：跨阻放大单元开路、电源短路、跨阻放大单元等比放大异常。
根据本发明的一个方面，所述测试信号包括高低交替脉冲信号。
根据本发明的一个方面，所述激光雷达接收端包括解复用器、多个光电传感器、与所述多个光电传感器对应并耦合的多个所述跨阻放大单元、以及复用器，所述解复用器与所述多个跨阻放大单元耦合并可选择性地选通其中一个跨阻放大单元，所述多个跨阻放大单元通过所述复用器耦合到所述模数转换器，
其中所述向跨阻放大单元输入测试信号的步骤包括：依次向多个所述跨阻放大单元输入测试信号。
本发明还涉及一种激光雷达接收端组件，包括：
光电传感器，配置成可将入射的光信号转换成电信号；
跨阻放大单元，与所述光电传感器耦接，并配置成可放大所述光电传感器输出的电信号；
模数转换器，与所述跨阻放大单元耦接，可接收所述跨阻放大单元的输出并进行模数转换；
测试信号生成单元，与所述跨阻放大单元耦接，并配置成可向所述跨阻放大单元提供测试信号；
故障诊断单元，所述故障诊断单元配置成：响应于所述测试信号，根据所述模数转换器的输出，判断所述激光雷达接收端是否存在故障。
根据本发明的一个方面，所述故障诊断单元配置成将所述模数转换器的输出与预设的波形进行比较，以判断所述激光雷达接收端是否存在故障以及故障的类型。
根据本发明的一个方面，所述故障包括以下中的一种或多种：跨阻放大单元开路、电源短路、跨阻放大单元等比放大异常。
根据本发明的一个方面，所述测试信号包括高低交替脉冲信号。
根据本发明的一个方面，所述激光雷达接收端组件包括解复用器、多个光电传感器、与所述多个光电传感器对应并耦合的多个所述跨阻放大单元、以及复用器，所述解复用器与所述多个跨阻放大单元耦合并可选择性地选通其中一个跨阻放大单元，所述多个跨阻放大单元通过所述复用器耦合到所述模数转换器，
其中所述测试信号生成单元配置成依次向多个所述跨阻放大单元输入测试信号。
根据本发明的一个方面，所述的激光雷达接收端组件还包括选择开关，所述测试信号生成单元和所述光电传感器均通过所述选择开关耦合到所述跨阻放大单元，其中所述选择开关配置成在同一时刻仅允许所述测试信号生成单元和所述光电传感器中的一个的输出信号被耦接到所述跨阻放大单元。
根据本发明的一个方面，所述测试信号生成单元和所述故障诊断单元集成在一起。
本发明还涉及一种激光雷达，包括：
发射端组件，配置成可发射探测光束；和
如上所述的激光雷达接收端组件，配置成可接收所述探测光束在障碍物上反射后的雷达回波。
本发明实施例的技术方案中，故障诊断的覆盖率较高，可以覆盖激光雷达接收端电路的全部失效场景，并且实施复杂程度低。传统诊断方案需要将前端解复用器和跨阻放大单元及后端两级复用器、模数转换器的驱动器等分开检测，电路复杂。而本发明中，通过向跨阻放大单元提供测试信号，能够检测激光雷达接收端的每个通道是否正常工作，并且通过模数转换器的输出，能够诊断可能发生故障的器件和位置。本发明的方案中未增加专用检测芯片及复杂电路，因此成本低。同时，诊断逻辑电路不影响正常工作电路，即使诊断电路损坏也可以通过FPGA逻辑识别出来，鲁棒性高
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了激光雷达接收端组件的示意图；
图2示出了根据本发明一个实施例的一种可用于激光雷达接收端的故障诊断方法；
图3示出了根据本发明一个实施例的进行测试的示意图；
图4示出了根据本发明一个实施例的测试信号的波形以及输出信号的波形；
图5示出了激光雷达接收端的一个实施例；
图6示出了根据本发明一个实施例的一种激光雷达接收端组件；和
图7示出了根据本发明一个实施例的一种激光雷达接收端组件。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"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:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图1示出了激光雷达接收端组件的示意图。如图所示，激光雷达接收端组件包括光电传感器(例如雪崩式光电二极管APD)、跨阻放大单元TIA、以及模数转换器ADC。其中，光电传感器接收激光雷达的回波信号，将光信号转变为电信号。通常该电信号为电流信号，并且较为微弱，因此通过跨阻放大单元TIA，可以将该信号放大，同时转换为电压信号。然后，通过模数转换器ADC进行模数转换，产生数字信号，供激光雷达后续的信号处理，例如生成点云数据，表征障碍物的距离、角度、反射率等参数中的一个或多个。
图2示出了根据本发明一个实施例的一种可用于激光雷达接收端的故障诊断方法100，下面参考附图详细描述。
如图2所示，故障诊断方法100包括：
在步骤S101，向所述跨阻放大单元输入测试信号。
图1中，在激光雷达工作过程中，跨阻放大单元TIA的输入信号来自于光电传感器。本发明中，如图3所示，为了在激光雷达开始工作之前或者运行的间隙能够检测接收端是否正常工作，那么代替光电传感器的电信号输出，单独地向所述跨阻放大单元输入一个测试信号，用来测试激光雷达接收端的链路是否能够正常工作。根据本发明的一个实施例，当输入所述测试信号的同时，屏蔽所述光电传感器使其不产生信号输出，或者使得光电传感器上产生的信号无法提供给跨阻放大单元TIA，从而测试信号与光电传感器的信号不会相互干扰。
在步骤S102，根据所述模数转换器的输出，判断所述激光雷达接收端是否存在故障。
步骤S101中输入测试信号后，跨阻放大单元会将其作为输入信号而放大，然后经模数转换器ADC进行模数转换和输出。通过采集模数转换器的输出并进行分析，能够判断激光雷达接收端的链路是否正常工作。
例如，可以通过将所述模数转换器ADC的输出与预设的波形进行比较，以判断所述激光雷达接收端是否存在故障以及故障的类型。激光雷达接收端常见的故障例如包括：跨阻放大单元开路、电源短路、跨阻放大单元等比放大异常等。
另外，根据本发明的一个优选实施例，所述测试信号包括高低交替的脉冲信号。图4中的PWM波形示出了根据本实施例的测试信号的波形。其中，测试信号包括连续的多个方波脉冲，并且相邻的脉冲的幅值不同，从而可以对脉冲进行奇偶区分，可以进一步提高故障诊断的准确性。
图4中的Q1、Q2、Q3和Q4波形分别示出了多种可能的故障发生时模数转换器ADC输出的波形。
如波形Q1所述，其中，对应于测试信号中的一个或多个脉冲，在波形Q1中缺少相对应的输出脉冲，表明激光雷达的接收端存在故障，可能的故障例如是跨阻放大单元开路。
如波形Q2所示，其中，第一个脉冲的幅值过高，第三个脉冲的幅值被钳制为与第二个脉冲基本相等，同样表明激光雷达的接收端存在故障，可能的故障例如是偏置电压故障(例如APD偏置电压不稳)，导致输出出现偏移。
如波形Q3所示，其中，各个脉冲相互之间的比例虽然正常，但是与测试信号PWM相比，每个脉冲都被异常放大。例如，假定模数转换器ADC输出的高低脉冲的正常幅值为分别为1和0.8，但目前输出的高低脉冲的幅值分别为2和1.6，在正常幅值的基础上又被放大了2倍，同样表明激光雷达的接收端存在故障，可能的故障例如是跨阻放大单元可能存在故障。
如波形Q4所示，表征如果有一级运放，会导致脉冲等比例地变化，因此存在最大值Max与最小值Min。
图5示出了激光雷达接收端的一个实施例，其中包括解复用器De-Mux、多个光电传感器APD 1、APD 2、…、APD N、与所述多个光电传感器对应并耦合的多个所述跨阻放大单元TIA 1、TIA 2、…、TIA N、复用器Mux以及模数转换器ADC，其中所述解复用器De-Mux与所述多个跨阻放大单元耦合并可选择性地选通其中一个跨阻放大单元，所述多个跨阻放大单元通过所述复用器耦合到所述模数转换器。每个光电传感器以及与其相连的跨阻放大单元构成一个通道。
其中，解复用器De-Mux例如可以依次向各个跨阻放大单元输出使能信号，从而依次激活各个跨阻放大单元。当其中一个跨阻放大单元被激活时，向该被激活的跨阻放大单元提供测试信号，测试该通道以及下游的模数转换器是否工作正常。
图6示出了根据本发明一个实施例的一种激光雷达接收端组件200，下面参考图6详细描述。
如图6所示，激光雷达接收端组件200包括光电传感器201、跨阻放大单元202、模数转换器203、测试信号生成单元204、以及故障诊断单元205。其中，光电传感器201可将入射的光信号转换成电信号，跨阻放大单元202与所述光电传感器201耦接，并配置成可放大所述光电传感器201输出的电信号。模数转换器203与所述跨阻放大单元202耦接，可接收所述跨阻放大单元的输出并进行模数转换。测试信号生成单元204用于生成测试信号，其与所述跨阻放大单元202耦接，并配置成可向所述跨阻放大单元提供测试信号。如图6所示，光电传感器201和测试信号生成单元204可以通过选择开关206从而耦接到所述跨阻放大单元202。选择开关206例如可具有第一位置和第二位置，当在第一位置时，其可以将光电传感器201的输出信号耦接到所述跨阻放大单元202；当处于第二位置时，其可以将测试信号生成单元204生成的测试信号耦接到所述跨阻放大单元202。选择开关206在同一时刻仅允许所述测试信号生成单元204和所述光电传感器201中的一个的输出信号被耦接到所述跨阻放大单元。从而避免了测试信号与光电传感器201的输出信号发生干扰。
所述故障诊断单元205耦接到所述模数转换器的输出端，并且配置成可响应于所述测试信号，根据所述模数转换器的输出，判断所述激光雷达接收端是否存在故障。故障诊断单元205例如可以执行如上所述的故障诊断方法100来判断是否存在故障以及具体故障的位置和类型。本领域技术人员容易理解，上文参考图1-5所描述的特征，均可以结合到图6的技术方案中，而无需付出创造性的劳动，这都在本发明的保护范围内。
根据本发明的一个实施例，故障诊断单元205配置成将所述模数转换器203的输出与预设的波形进行比较，以判断所述激光雷达接收端是否存在故障以及故障的类型，例如上述参考图4所详细描述的，此处不再赘述。
常见的故障可能包括以下中的一种或多种：跨阻放大单元开路、电源短路、跨阻放大单元等比放大异常。另外，所述测试信号可包括高低交替脉冲信号，从而更加精确地进行激光雷达接收端链路的故障诊断。
另外，所述激光雷达接收端组件可包括多个通道，每个通道包括一个光电传感器和与其对应并耦接的跨阻放大单元，激光雷达接收端组件并且包括解复用器、以及复用器，所述解复用器与所述多个跨阻放大单元耦合并可选择性地选通其中一个跨阻放大单元，所述多个跨阻放大单元通过所述复用器耦合到所述模数转换器，其结构示意图如图5所示。在此情况下，所述测试信号生成单元204可以依次向多个所述跨阻放大单元输入测试信号。
另外，根据本发明的一个优选实施例，所述测试信号生成单元204和所述故障诊断单元205集成在一起，构成集成的控制器，例如通过FPGA、DSP或者ASIC实现，如图7所示，所述测试信号生成单元204中可以集成有故障诊断的模块，可以通过软件、硬件、或者软硬件结合的方式实现。所述模数转换器203的输出直接耦合到所述测试信号生成单元204，通过其中集成的故障诊断模块来进行故障诊断。这种方式有利于使得整个激光雷达接收端组件更为紧凑、功耗更小。
本发明还涉及一种激光雷达，包括发射端组件和如上所述的激光雷达接收端组件，其中发射端组件可发射探测光束，激光雷达接收端组件可接收所述探测光束在障碍物上反射后的雷达回波。
本发明实施例的技术方案中，故障诊断的覆盖率较高，可以覆盖激光雷达接收端电路的全部失效场景，并且实施复杂程度低。传统诊断方案需要将前端解复用器和跨阻放大单元及后端两级复用器、模数转换器的驱动器等分开检测，电路复杂。而本发明中，通过向跨阻放大单元提供测试信号，能够检测激光雷达接收端的每个通道是否正常工作，并且通过模数转换器的输出，能够诊断可能发生故障的器件和位置。本发明的方案中未增加专用检测芯片及复杂电路，因此成本低。同时，诊断逻辑电路不影响正常工作电路，即使诊断电路损坏也可以通过控制器(例如FPGA、DSP、或ASIC)逻辑识别出来，鲁棒性高
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种可用于激光雷达接收端的故障诊断方法，其中所述激光雷达接收端包括光电传感器、跨阻放大单元以及模数转换器，其中所述跨阻放大单元可放大所述光电传感器的输出，所述模数转换器可将所述跨阻放大单元的输出进行模数转换，其中所述故障诊断方法包括：
向所述跨阻放大单元输入测试信号；
根据所述模数转换器的输出，判断所述激光雷达接收端是否存在故障。
2.根据权利要求1所述的故障诊断方法，其中所述根据模数转换器的输出判断激光雷达接收端是否存在故障步骤包括：将所述模数转换器的输出，与预设的波形进行比较，以判断所述激光雷达接收端是否存在故障以及故障的类型。
3.根据权利要求1或2所述的故障诊断方法，其中所述故障包括以下中的一种或多种：跨阻放大单元开路、电源短路、跨阻放大单元等比放大异常。
4.根据权利要求1或2所述的故障诊断方法，其中所述测试信号包括高低交替PWM脉冲信号。
5.根据权利要求1或2所述的故障诊断方法，其中所述激光雷达接收端包括解复用器、多个光电传感器、与所述多个光电传感器对应并耦合的多个所述跨阻放大单元、以及复用器，所述解复用器与所述多个跨阻放大单元耦合并可选择性地选通其中一个跨阻放大单元，所述多个跨阻放大单元通过所述复用器耦合到所述模数转换器，
其中所述向跨阻放大单元输入测试信号的步骤包括：依次向多个所述跨阻放大单元输入测试信号。
6.一种激光雷达接收端组件，包括：
光电传感器，配置成可将入射的光信号转换成电信号；
跨阻放大单元，与所述光电传感器耦接，并配置成可放大所述光电传感器输出的电信号；
模数转换器，与所述跨阻放大单元耦接，可接收所述跨阻放大单元的输出并进行模数转换；
测试信号生成单元，与所述跨阻放大单元耦接，并配置成可向所述跨阻放大单元提供测试信号；
故障诊断单元，所述故障诊断单元配置成：响应于所述测试信号，根据所述模数转换器的输出，判断所述激光雷达接收端是否存在故障。
7.根据权利要求6所述的激光雷达接收端组件，其中所述故障诊断单元配置成将所述模数转换器的输出与预设的波形进行比较，以判断所述激光雷达接收端是否存在故障以及故障的类型。
8.根据权利要求6或7所述的激光雷达接收端组件，其中所述故障包括以下中的一种或多种：跨阻放大单元开路、电源短路、跨阻放大单元等比放大异常。
9.根据权利要求6或7所述的激光雷达接收端组件，其中所述测试信号包括高低交替脉冲信号。
10.根据权利要求6或7所述的激光雷达接收端组件，其中所述激光雷达接收端组件包括解复用器、多个光电传感器、与所述多个光电传感器对应并耦合的多个所述跨阻放大单元、以及复用器，所述解复用器与所述多个跨阻放大单元耦合并可选择性地选通其中一个跨阻放大单元，所述多个跨阻放大单元通过所述复用器耦合到所述模数转换器，
其中所述测试信号生成单元配置成依次向多个所述跨阻放大单元输入测试信号。
11.根据权利要求6或7所述的激光雷达接收端组件，还包括选择开关，所述测试信号生成单元和所述光电传感器均通过所述选择开关耦合到所述跨阻放大单元，其中所述选择开关配置成在同一时刻仅允许所述测试信号生成单元和所述光电传感器中的一个的输出信号被耦接到所述跨阻放大单元。
12.根据权利要求6或7所述的激光雷达接收端组件，其中所述测试信号生成单元和所述故障诊断单元集成在一起。
13.一种激光雷达，包括：
发射端组件，配置成可发射探测光束；和
如权利要求6-12中任一项所述的激光雷达接收端组件，配置成可接收所述探测光束在障碍物上反射后的雷达回波。
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