CN114114288B - 用于激光雷达的测量电路及其测量方法、以及激光雷达 - Google Patents

Abstract

一种用于激光雷达的测量电路及其测量方法、以及激光雷达，测量电路包括：光电信号接收单元，用于接收背景光，并输出电信号；电信号检测单元，电信号检测单元的输入端与光电信号接收单元的输出端耦接，电信号检测单元用于输出电信号对应的电信号幅值，电信号幅值用于表征背景光强度；处理单元，用于基于背景光强度获取物体的反射率。本发明利用测量背景光的方式获得物体的反射率，能够避免因光电信号接收单元的饱和问题所导致的难以准确测量反射率的问题，提高了测量反射率的准确性。

Description

用于激光雷达的测量电路及其测量方法、以及激光雷达

技术领域

本发明涉及激光探测领域，尤其涉及一种用于激光雷达的测量电路及其测量方法、以及激光雷达。

背景技术

目前，激光雷达(Light Detection And Range，LIDAR)已经被广泛应用于无人驾驶、资源开发、环境监测、交通通讯等领域。

激光雷达可以通过自身的光发射装置向目标物发射探测信号，经过目标物反射回来的回波信号被激光雷达的光接收装置所接收，并对所述回波信号进行信号处理后，可以获得目标物的参数数据，并且通过调整光发射装置来改变探测信号的方向，可以对三维空间进行扫描，获得三维空间内各点的参数数据，这些参数数据构成激光雷达的点云数据。其中，点云数据可以包括各个点的坐标以及该点对应物体的反射率。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种用于激光雷达的测量电路及其测量方法、以及激光雷达，用于提高测量反射率的准确性。

为解决上述问题，本发明提供一种用于激光雷达的测量电路，包括：光电信号接收单元，用于接收背景光，并输出电信号；电信号检测单元，所述电信号检测单元的输入端与所述光电信号接收单元的输出端耦接，所述电信号检测单元用于输出所述电信号对应的电信号幅值，所述电信号幅值用于表征背景光强度；处理单元，用于基于所述背景光强度获取物体的反射率。

相应的，本发明还提供一种激光雷达，所述激光雷达包括光发射装置和光接收装置，所述光接收装置包括本发明实施例提供的测量电路。

相应的，本发明还提供一种利用本发明提供的用于激光雷达的测量电路的测量方法，包括：利用所述光电信号接收单元接收背景光，并输出电信号；利用所述电信号检测单元输出所述电信号对应的电信号幅值，所述电信号幅值用于表征背景光强度；利用所述处理单元，基于所述背景光强度获取物体的反射率。

与公开技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明提供一种用于激光雷达的测量电路，所述测量电路包括光电信号接收单元、电信号检测单元和处理单元，其中，所述光电信号接收单元用于接收背景光，并输出电信号，所述电信号检测单元的输入端与所述光电信号接收单元的输出端耦接，所述电信号检测单元用于输出所述电信号对应的电信号幅值，所述电信号幅值用于表征背景光强度，所述处理单元用于基于所述背景光强度获取物体的反射率；其中，在测量所述反射率时，激光雷达无需发射脉冲，而是利用测量背景光强度的方式，并利用测量获得的背景光强度来获取物体的反射率，与通过发射脉冲、测量回波强度(radar echo power)的方式来测量物体的反射率的方案相比，本发明能够避免因光电信号接收单元的饱和问题所导致的不能准确测量所述反射率的问题，相应提高了测量所述反射率的准确性。

可选方案中，所述光电信号接收单元包括单光子探测单元，所述单光子探测单元包括硅光电倍增器(silicon photon multiplier，SiPM)或单光子雪崩二极管阵列(singlephoton avalanche diode array)，其中，所述单光子探测单元具有高增益的特性，能够对单个光子检测，且能够在弱环境光条件下，在较短的时间内持续检测背景光信号，从而获得背景光强度，因此，本发明实施例利用单光子探测单元测量背景光信号，能够快速、准确地反映物体的反射率，从而进一步提高测量所述反射率的准确性。

附图说明

图1是本发明用于激光雷达的测量电路一实施例的示意图；

图2是本发明用于激光雷达的测量电路另一实施例的示意图；

图3是图2所示实施例中，光电信号接收单元和数据选择器的局部放大图；

图4是本发明激光雷达一实施例的结构示意图；

图5是本发明测量方法一实施例的流程图。

具体实施方式

采用激光雷达获取的点云数据中，通常可以包括各个点的坐标以及各个点对应物体的反射率，所述反射率与回波强度、以及目标物与激光雷达之间的距离相关；具体地，根据发射脉冲和回波脉冲的前沿信号来获取飞行时间(time of flight，TOF)，计算出目标物的距离，同时根据回波脉冲获取回波强度，从而根据距离和回波强度来获取物体的反射率。

但是，在激光雷达工作时，根据距离和物体的反射率变化，回波信号可以包括几十个光子至几亿个光子，因此，受到光电信号接收器的饱和性的限制，容易出现无法有效区分回波信号的问题，从而无法有效获取物体的反射率，相应导致测量所述反射率的准确性下降。

为了解决所述技术问题，本发明实施例提供一种用于激光雷达的测量电路，包括：光电信号接收单元，用于接收背景光，并输出电信号；电信号检测单元，所述电信号检测单元的输入端与所述光电信号接收单元的输出端耦接，所述电信号检测单元用于输出所述电信号对应的电信号幅值，所述电信号幅值用于表征背景光强度；处理单元，用于基于所述背景光强度获取物体的反射率。

本发明实施例在测量物体的反射率时，激光雷达无需发射脉冲，而是利用测量背景光强度的方式，并利用测量获得的背景光强度来获取物体的反射率，与通过发射脉冲、测量回波强度(radar echo power)的方式来测量物体的反射率的方案相比，本发明实施例能够避免因光电信号接收单元的饱和问题所导致的不能准确测量所述反射率的问题，相应提高了测量所述反射率的准确性。

为使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

图1是本发明用于激光雷达的测量电路一实施例的示意图。

所述测量电路包括：光电信号接收单元100，用于接收背景光，并输出电信号；电信号检测单元300，所述电信号检测单元300的输入端与所述光电信号接收单元100的输出端耦接，所述电信号检测单元300用于输出所述电信号对应的电信号幅值，所述电信号幅值用于表征背景光强度；处理单元400，用于基于所述背景光强度获取物体的反射率。

本实施例中，所述测量电路还包括：积分电路200，位于所述光电信号接收单元100的输出端和电信号检测单元300的输入端之间，所述积分电路200用于根据背景光强度调节积分时间，所述积分时间为对所述光电信号接收单元100输出的电信号的采样时间。

利用所述测量电路测量物体的反射率时，通过光电信号接收单元100接收背景光，以测量背景光信号，并输出电信号；所述电信号被所述电信号检测单元300接收，所述电信号检测单元300输出所述电信号对应的电信号幅值，用于表征背景光强度；随后利用所述处理单元400获取所述电信号幅值，并基于所述电信号幅值获取物体的反射率，其中所述电信号幅值用于表征所述背景光强度。

所述光电信号接收单元100用于接收背景光，并输出电信号。其中，所述背景光指的是环境光照射在物体上反射后产生反射光，所述反射光被所述光电信号接收单元100接收到的光束。

本实施例中，所述光电信号接收单元100输出的电信号为电压信号。在其他实施例中，所述光电信号接收单元100输出的电信号也可以为电流信号。

本实施例中，所述光电信号接收单元100包括光电信号接收器，所述光电信号接收器用于接收背景光，并将背景光信号转换成电信号。

具体地，所述光电信号接收单元100包括单光子探测单元155，也就是说，所述光电信号接收器为单光子探测单元155。

背景光信号通常较弱，而所述单光子探测单元155具有高增益的特性，能够对单个光子检测，检测灵敏度高，且能够在弱环境光条件下，在较短的时间内持续检测背景光信号，从而获得背景光强度，因此，本实施例利用单光子探测单元155测量背景光信号，能够快速、准确地反映物体的反射率，从而进一步提高测量所述反射率的准确性。

而且，在激光雷达中，单光子探测单元155作为接收端的光电传感器，单光子探测单元155的制作工艺与CMOS工艺相兼容，读出电路也更简单，易于集成。

本实施例中，所述单光子探测单元155为硅光电倍增器150，也就是说，所述光电信号接收器为硅光电倍增器150。在另一些实施例中，所述单光子探测单元155还可以为单光子雪崩二极管阵列。在其他实施例中，根据实际需求，也可以采用其他类型的光电信号接收器，例如，光电二极管、雪崩二极管(avalance photon diode，APD)或硅光电池等。

本实施例中，以所述单光子探测单元155为硅光电倍增器150为例，对所述测量电路做详细说明。

所述硅光电倍增器150用于接收背景光。具体地，一个硅光电倍增器150对应一个接收探测通道，用于接收在该接收探测通道上产生的回波信号。其中，一个接收探测通道指的是一个探测视场区域。

本实施例中，所述光电信号接收单元100仅包括一个硅光电倍增器150，从而使所述测量电路实现单通道测量。

在其他实施例中，所述光电信号接收单元100也可以包括多个硅光电倍增器150。多个硅光电倍增器150在竖直方向上对不同角度的探测视场区域进行探测，多个接收探测通道对应不同角度的探测视场区域，因此，垂直视场内的接收探测通道越多，其竖直方向的角分辨率越高，测量获得的点云的密度就越大。

其中，当所述硅光电倍增器的数量为多个时，所述硅光电倍增器的数量可以根据具体的应用场景进行设置。作为一种示例，在所述光电信号接收单元中，当所述硅光电倍增器的数量为多个时，所述硅光电倍增器的数量可以为16个、32个、64个或128个等。

所述硅光电倍增器150包括多个像素单元(pixel)，每一个像素单元包括具有单光子探测能力的单光子雪崩光电二极管(single photon avalance diode，SPAD)110、以及与所述单光子雪崩光电二极管110串联的第一电阻120，所述像素单元还包括第一电容130，所述第一电容130的一端连接在所述单光子雪崩光电二极管110和第一电阻120之间。

其中，每个单光子雪崩光电二极管110能够响应单个光子并将光信号转化为电信号，所述第一电阻120作为淬灭电阻120，所述第一电容130作为快输出电容130。

本实施例中，为了便于图示，图1中仅示意出了一个像素单元。

本实施例中，单光子雪崩光电二极管110为P-N结，当所述像素单元接收到单个光子时，所述P-N结处于雪崩状态。

具体地，为了使所述单光子雪崩光电二极管110能够正常工作，所述单光子雪崩光电二极管110的正极连接至低电位(-HV)，所述单光子雪崩光电二极管110的负极与淬灭电阻120相连。

每一个像素单元接收到单个光子后，所述光子会按照一定的概率激发出一个电子，该电子将在耗尽区产生诱导雪崩效应，产生一个恒定的电脉冲输出，从而导致单光子雪崩光电二极管110发生雪崩，这时该像素单元处于被触发状态。

以所述光电信号接收单元100输出的电信号为电压信号为例，单光子雪崩光电二极管110的结电容积累的电荷将会通过雪崩效应从P极流向N极，导致单光子雪崩光电二极管110的两端的偏压下降，单光子雪崩光电二极管110的雪崩停止，通过快输出电容130将单光子雪崩光电二极管110两端的电压的改变量输出，随后经过淬灭电阻120向单光子雪崩光电二极管110的结电容两端充电，使其恢复到盖革模式，只有单光子雪崩光电二极管110恢复到盖革模式，才能使该像素单元继续响应下一个光子。

其中，雪崩效应发生后，单光子雪崩光电二极管110处于淬灭状态，其他入射光子将不能再引起该单光子雪崩光电二极管110的雪崩效应，而淬灭电阻120向单光子雪崩光电二极管110的结电容充电的时间为器件的恢复时间。

由于所述硅光电倍增器150包括多个像素单元，所述多个像素单元的输出端并联，因此，不同的像素单元各自接收到单个光子时，将会导致多个单光子雪崩光电二极管110发生雪崩，与多个发生雪崩的单光子雪崩光电二极管110相连的多个快输出电容130会将各个单光子雪崩光电二极管110的电信号的改变量(比如电压的改变量)累加输出。

其中，发生雪崩的单光子雪崩光电二极管110的数量越多，则电信号累加输出的电信号幅值越大；发生雪崩的单光子雪崩光电二极管110的数量越少，则电信号累加输出的电信号幅值越小。也就是说，每个像素单元输出的脉冲信号叠加为一个脉冲累加信号，通过测量所述脉冲累加信号的电信号幅值，可计算获得被触发的像素单元数量，从而用于表征背景光强度。

所述电信号检测单元300的输入端与所述光电信号接收单元100的输出端耦接，所述光电信号接收单元100输出电信号后，所述电信号检测单元300检测所述输出的电信号，并输出所述电信号对应的电信号幅值，从而通过所述电信号幅值表征背景光强度。

具体地，所述电信号检测单元300用于输出一个硅光电倍增器150所对应的背景光强度。

由于通过测量所述脉冲累加信号的电信号幅值，可计算获得被触发的像素单元数量，从而用于表征背景光强度，因此，电信号幅值越大，则表征背景光强度越大，电信号幅值越小，则表征背景光强度越小。

本实施例中，所述光电信号接收单元100输出的电信号为电压信号，因此，所述电信号检测单元300为电压检测单元，所述电信号幅值为电压幅值。

在其他实施例中，所述光电信号接收单元100输出的电信号也可以为电流信号，所述电信号检测单元300相应为电流检测单元，所述电信号幅值相应为电流幅值。

本实施例中，所述电信号检测单元300为模数转换器(analog-to-digitalconverter，ADC)，用于对光电信号接收单元100输出的电信号进行数字化处理。

所述处理单元400基于所述背景光强度获取物体的反射率。

本实施例中，所述处理单元400的输入端和所述电信号检测单元300的输出端耦接。

本实施例中，所述处理单元400基于每一个硅光电倍增器150输出的电信号幅值，获取相对应探测视场区域内物体的反射率。其中，所述反射率指的是物体之间的相对反射率。

具体地，所述处理单元400通过电信号幅值的范围和反射率的范围，等比例地获取每一个电信号幅值对应的反射率。例如，所述电信号幅值的最小值与反射率的最小值相对应，所述电信号幅值的最大值与反射率的最大值相对应。

其他实施例中，所述处理单元400也可以基于每一个硅光电倍增器150输出的电信号幅值对应的灰度值，获取相对应探测视场区域内物体的反射率。具体地，所述处理单元400先将电信号幅值转化为灰度值，再基于每一个灰度值计算获得相对应的反射率。其中，相比于直接利用电信号幅值获取物体的反射率的方案，通过灰度值表征的颜色能够呈现在点云数据上，从而能够更直观地反映物体反射率的分布情况。

在该实施例中，所述处理单元400用于对电信号幅值进行归一化处理，并输出灰度值。也就是说，所述背景光强度通过灰度值表征，每个硅光电倍增器150对应的背景光强度，与一个灰度值相对应，灰度值越大，则背景光强度越大。

灰度值为背景光强度经过归一化后的值，且灰度值的大小取决于激光雷达的数据分辨率，根据数据分辨率的不同，所述灰度值具有不同的范围。以8位(8bits)灰度图为例，灰度值量化为256个灰度级，灰度值的范围为0至255。灰度值为0时，表示背景光强度最小，灰度值为255时，表示背景光强度最大。

需要说明的是，以灰度值表征背景光强度是利用电信号幅值表征背景光强度的一种具体实施方式。

在该实施例中，所述处理单元400获得每一个硅光电倍增器150输出的电信号幅值对应的灰度值后，所述处理单元400通过灰度值的范围和所述反射率的范围，计算获得每一个灰度值对应的反射率。

具体地，所述灰度值的最小值与反射率的最小值相对应，所述灰度值的最大值与反射率的最大值相对应，根据所述灰度值的范围和所述反射率的范围，等比例地获取每一个灰度值对应的反射率。

相应的，在该实施例中，所述反射率指的是物体之间的相对反射率。

作为一种示例，所述处理单元400包括DSP(digital signal processing，数字信号处理)模块，从而实现运算处理。

本实施例中，所述测量电路还包括积分电路200，用于根据背景光强度调节积分时间，所述积分时间为对所述光电信号接收单元100输出的电信号的采样时间。

由于所述光电信号接收单元100用于接收背景光，随着激光雷达所处的环境不同，导致背景光强度相应会发生改变，从而对测量准确性产生影响。因此，通过在所述光电信号接收单元100和电信号检测单元300之间设置积分电路200，用于调节积分时间，从而调节输出至所述处理单元400的电信号幅值。

其中，所述积分时间为对所述光电信号接收单元100输出的电信号的采样时间，所述积分时间越长，表示对所述硅光电倍增器150输出电信号的采样时间越长，相应地，所输出的电信号相对越强。

具体地，当激光雷达处于强环境光环境时，背景光强度相应较大，通过降低积分时间来降低所述硅光电倍增器150输出至所述处理单元400的电信号的强度，从而获取探测视场区域内物体的反射率；当激光雷达处于弱环境光环境时，背景光强度相应较小，则通过增加积分时间来提高所述硅光电倍增器150输出至所述处理单元400的电信号的强度，从而获取探测视场区域内物体的反射率。

本实施例中，所述积分电路200能够根据前一次测量获得的背景光强度，调节后一次测量背景光强度时的积分时间，从而提高测量反射率的准确性。

具体地，当采用所述测量电路进行测量时，先判断前一次测量获得的背景光强度；当前一次测量获得的背景光强度低于下限阈值时，在此次测量过程中，利用所述积分电路200增加积分时间；当前一次测量获得的背景光强度高于上限阈值时，在此次测量过程中，利用所述积分电路200减小积分时间。

本实施例中，所述上限阈值和下限阈值可以根据背景光强度的历史数据的标准正态分布来确定，例如，根据背景光强度的标准正态分布，利用距离背景光强度平均值的2个标准差来确定上限阈值和下限阈值。

具体地，上限阈值为距离环境光强度平均值的2个正标准差(即2σ)的光强值，下限阈值为距离环境光强度平均值的2个负标准差(即-2σ)的光强值。其中，σ表示环境光强度的标准差。

本实施例中，所述积分电路200包括运算放大器210和RC电路250。其中，所述RC电路250包括第二电阻220和第二电容230，所述第二电阻220连接在所述运算放大器210的两端，所述第二电容230和第二电阻220并联。

具体地，所述第二电阻220的一端与运算放大器210的负极输入端耦接，所述第二电阻220的另一端与运算放大器210的输出端耦接。运算放大器210的输出端与电信号检测单元300的输入端耦接。

本实施例中，利用所述积分电路200调节积分时间时，通过所述电信号检测单元300控制所述输出电信号的采样时间，从而实现积分时间的调整。具体地，根据前一次测量获得的所述输出电信号的强度，调节后一次测量时的采样时间，从而避免由于环境光过强或过弱导致无法区分物体的反射率的问题。

需要说明的是，在其他实施例中，也可以采用开关代替所述积分电路中的第二电阻，通过所述开关控制积分电路的积分时间。具体地，当所述开关断开时，通过所述积分电路控制所述输出电信号输出至所述电信号检测单元进行检测，因此可以通过控制所述开关断开的时间来调整积分时间。

其中，所述开关可以为MOS晶体管或三极管。以所述开关为MOS晶体管为例，通过控制MOS晶体管的沟道的关断，从而控制所述开关呈断开状态。

继续参考图1，本实施例中，所述测量电路还包括：补光光源160，用于根据前一次测量获得的背景光强度，在后一次测量背景光强度时进行补光。

由于所述光电信号接收单元100用于接收背景光，激光雷达所处的环境不同，所述背景光强度相应会发生改变，从而对测量准确性产生影响，因此，通过设置补光光源160，当在晚上或者较暗环境下进行测量时，可以通过所述补光光源160(即外在光源)进行补光，从而避免因光线过暗所引起的测量不到背景光强度的问题。

其中，所述补光光源160可以是激光雷达用于探测物体时采用的光源，也可以是额外增加的光源。

作为一种示例，所述补光光源160可以为LED或激光器。在其他实施例中，所述补光光源也可以采用其他类型的光源。

需要说明的是，在其他实施例中，当光电信号接收单元包括多个硅光电倍增器时，探测视场区域相应为多个，此时，所述多个探测视场区域采用同样的补光光源，因此，测量所获得的背景光强度同样能够表征各探测视场区域内物体的反射率。

本实施例的所述测量电路，利用测量背景光(例如：日光)的方式，利用测量获得的背景光强度来表征物体的反射率，与通过发射脉冲、测量回波强度的方式来测量物体的反射率的方案相比，本实施例能够避免因光电信号接收单元100的饱和问题所导致的不能准确测量所述反射率的问题，从而有利于提高测量所述反射率的准确性。

尤其是，当利用所述硅光电倍增器150测量背景光信号时，由于硅光电倍增器150的结构特点，硅光电倍增器150由多个并联的单光子雪崩光电二极管组成，所述单光子雪崩光电二极管能够对单个光子检测，导致所述硅光电倍增器150更容易饱和，因此，通过所述测量电路，能够显著提高测量所述反射率的准确性。

参考图2，示出了本发明用于激光雷达的测量电路另一实施例的示意图。

本发明实施例与前述实施例的相同之处在此不再赘述，本发明实施例与前述实施例的不同之处在于：所述光电信号接收单元700包括多个单光子探测单元715。

多个单光子探测单元715与探测视场区域一一对应。

本实施例中，以所述单光子探测单元715为硅光电倍增器710为例进行说明。

在其他实施例中，所述单光子探测单元715也可以为单光子雪崩二极管阵列。

作为一种示例，多个硅光电倍增器710沿竖直方向排布，对不同角度的探测视场区域进行探测，从而提高了测量获得的点云的密度，相应的，在激光雷达探测时，经水平方向旋转扫描，实现对三维空间的探测。

作为一种示例，所述多个硅光电倍增器710相并联。

所述硅光电倍增器710的数量和排布可以根据具体的应用场景进行设置。例如，所述多个硅光电倍增器710可以呈一维阵列排列，也可以呈二维阵列排列。

其中，当所述多个硅光电倍增器710呈一维阵列排列时，在竖直方向上，所述多个硅光电倍增器710可以等间距排布，也可以非等间距排布(例如：中间区域的硅光电倍增器710的密度较大，靠近两端位置处的硅光电倍增器710的密度较小)。当所述多个硅光电倍增器710呈二维阵列排列时，所述二维阵列中可以是矩阵式排布，也可以是交错式排布。

作为一种示例，所述多个硅光电倍增器710在竖直方向上位于同一列，所述硅光电倍增器710的数量可以为16个、32个、64个或128个。

对所述硅光电倍增器710的具体描述，可参考前述实施例中的相应描述，在此不再赘述。

本实施例中，所述光电信号接收单元700还包括：数据选择器(MUX)600，用于选择所述多个硅光电倍增器710中的一个进行电信号的输出。

其中，所述数据选择器600包括：地址选择端(未标示)；输入端(未标示)，与所述硅光电倍增器710的各个输出端一一对应耦接；输出端(未标示)，与所述电信号检测单元910的输入端耦接。

具体地，所述测量电路还包括积分电路900，因此，所述数据选择器600的输出端与所述积分电路900的输入端相连。

相应的，所述测量电路还包括：控制单元800，与所述数据选择器600的地址选择端耦接，所述控制单元800用于控制所述数据选择器600对所述多个硅光电倍增器710进行选择。

通过在所述光电信号接收单元700中设置数据选择器600，能够选择所述多个硅光电倍增器710中的一个进行电信号的输出，因此，在所述测量电路中，能够采用数量较少的电信号检测单元910，能够将不同硅光电倍增器710输出的电信号按照预设顺序输入至相对应的电信号检测单元910中，从而使器件数量较少、降低制备成本，且有利于减小尺寸。

本实施例中，所述测量电路仅采用一个积分电路900、电信号检测单元910和处理单元920。

结合参考图3，图3是光电信号接收单元700和数据选择器600的局部放大图。具体地，为了便于图示，图3示出了一个硅光电倍增器710以及与该硅光电倍增器710相连的控制开关610。

本实施例中，所述数据选择器600包括多个地址选择端和多个控制开关610，所述多个控制开关610与所述多个地址选择端一一对应耦接，且所述多个控制开关610与所述多个硅光电倍增器710的输出端一一对应耦接。

因此，采用所述测量电路进行测量时，通过地址选择端选择目标探测视场区域对应的控制开关610，并利用使能信号进行控制，打开目标探测视场区域对应的控制开关610，剩余非目标探测视场区域对应的控制开关610呈关闭状态，从而使得数据选择器600选择所述多个硅光电倍增器710中的一个进行电信号的输出，且能够节约能耗。

本实施例中，所述控制开关610为半导体开关，从而降低所述测量电路的复杂度。具体地，所述控制开关610包括MOS晶体管或三极管。

作为一种示例，所述控制开关610为MOS晶体管。

其中，所述MOS晶体管为NMOS晶体管或PMOS晶体管，所述MOS晶体管的栅极与所述地址选择端一一对应耦接，所述MOS晶体管的源极与所述硅光电倍增器710的输出端一一对应耦接，所述MOS晶体管的漏极与所述电信号检测单元910的输入端耦接。具体地，所述MOS晶体管的漏极与所述积分电路900的输入端相连。

在另一些实施例中，当所述光电信号接收单元包括多个相并联的硅光电倍增器时，所述电信号检测单元的数量为多个，所述电信号检测单元的输入端与所述硅光电倍增器的输出端一一对应耦接，此时，所述测量电路还可以包括：时序控制模块，用于控制多个所述硅光电倍增器中的各个依次接收背景光，并输出电信号。

在这种情况下，所述光电信号接收单元中可以不设置数据选择器，通过时序控制模块，依次输出不同的硅光电倍增器对应的电信号。

在该实施例中，所述时序控制模块可以分别与多个并联的硅光电倍增器连接，用于直接控制各个硅光电倍增器的打开或关闭，相应的，积分电路和电信号检测单元的数量均为多个，处理单元的数量可以为一个。

具体地，所述多个并联的硅光电倍增器与积分电路一一对应连接，所述多个积分电路与电信号检测单元一一对应连接，而处理单元可以从所述多个电信号检测单元输出的电信号幅值中选择数据进行处理，从而也能实现选择所述多个硅光电倍增器中的一个进行电信号的输出。

在其他实施例中，也可以不设置数据选择器或时序控制模块，相应的，所述电信号检测单元的数量为多个，且所述电信号检测单元的输入端与所述硅光电倍增器的输出端一一对应耦接。在这种情况下，积分电路和处理单元的数量均为多个。

对本实施例所述测量电路的具体描述，可结合参考前述实施例的相应描述，在此不再赘述。

相应的，本发明实施例还提供一种激光雷达。参考图4，图4是本发明激光雷达一实施例的结构示意图。

本实施例中，所述激光雷达10包括光发射装置11和光接收装置12，所述光接收装置12包括前述实施例所述的测量电路。

所述测量电路有利于提高测量物体的反射率的准确性，相应提高了所述激光雷达10的点云数据的准确性。

相应的，本实施例还提供一种利用前述实施例所述的用于激光雷达的测量电路的测量方法。

参考图5，图5是本发明测量方法一实施例的流程图。

本实施例中，所述测量方法包括如下步骤：

步骤S1：利用所述光电信号接收单元接收背景光，并输出电信号；

步骤S2：利用所述电信号检测单元输出所述电信号对应的电信号幅值，所述电信号幅值用于表征背景光强度；

步骤S3：利用所述处理单元，基于所述背景光强度获取物体的反射率。

本实施例中，在执行步骤S1之后，在执行步骤S2之前，所述测量方法还包括：执行步骤S15：根据背景光强度，利用所述积分电路来调节积分时间，，所述积分时间为对所述光电信号接收单元输出的电信号的采样时间。

结合参考图1，图1是本发明用于激光雷达的测量电路一实施例的示意图，以第一实施例所述的测量电路为例，对本实施例所述的测量方法做详细说明。

执行步骤S1，利用所述光电信号接收单元100接收背景光，并输出电信号。

其中，所述背景光指的是环境光照射在物体上反射后产生反射光，所述反射光被所述光电信号接收单元100接收到的光束。

本实施例中，所述光电信号接收单元100输出的电信号为电压信号。在其他实施例中，所述光电信号接收单元100输出的电信号也可以为电流信号。

本实施例中，所述光电信号接收单元100包括光电信号接收器，利用所述光电信号接收器接收背景光，并将背景光信号转换成电信号。

具体地，所述光电信号接收单元100包括单光子探测单元155，也就是说，所述光电信号接收器为单光子探测单元155。背景光信号通常较弱，而所述单光子探测单元155具有高增益的特性，能够对单个光子检测，检测灵敏度高，且能够在弱环境光条件下，在较短的时间内持续检测背景光信号，从而获得背景光强度，因此，本实施例利用单光子探测单元155测量背景光信号，能够快速、准确地反映物体的反射率，从而进一步提高测量所述反射率的准确性。

本实施例中，所述单光子探测单元155为硅光电倍增器150，也就是说，所述光电信号接收器为硅光电倍增器150。在另一些实施例中，所述单光子探测单元155还可以为单光子雪崩二极管阵列。在其他实施例中，根据实际需求，也可以采用其他类型的光电信号接收器，例如，光电二极管、雪崩二极管或硅光电池等。

本实施例中，以所述单光子探测单元155为硅光电倍增器150为例，对所述测量方法做详细说明。

所述硅光电倍增器150用于接收背景光。具体地，一个硅光电倍增器150对应一个接收探测通道，用于接收在该接收探测通道上产生的回波信号。其中，一个接收探测通道指的是一个探测视场区域。

本实施例中，所述光电信号接收单元100包括一个硅光电倍增器150，从而使所述测量电路实现单通道测量。

所述硅光电倍增器150包括多个像素单元，所述多个像素单元的输出端并联，因此，不同的像素单元各自接收到单个光子时，将会导致多个单光子雪崩光电二极管110发生雪崩，与多个发生雪崩的单光子雪崩光电二极管110相连的多个快输出电容130会将各个单光子雪崩光电二极管110的电信号的改变量(比如电压的改变量)累加输出。

其中，发生雪崩的单光子雪崩光电二极管110的数量越多，则电信号累加输出的电信号幅值越大；发生雪崩的单光子雪崩光电二极管110的数量越少，则电信号累加输出的电信号幅值越小。也就是说，每个像素单元输出的脉冲信号叠加为一个脉冲累加信号，通过测量脉冲累加信号的电信号幅值，可计算获得被触发的像素单元数量，从而用于表征背景光强度。

执行步骤S2，利用所述电信号检测单元300输出所述电信号对应的电信号幅值，所述电信号幅值用于表征背景光强度。

具体地，所述电信号检测单元300检测所述输出的电信号，并输出所述电信号对应的电信号幅值。

本实施例中，利用所述电信号检测单元300，输出一个硅光电倍增器150所对应的背景光强度。

由于通过测量脉冲累加信号的电信号幅值，可计算获得被触发的像素单元数量，从而用于表征背景光强度，因此，电信号幅值越大，则表征背景光强度越大，电信号幅值越小，则表征背景光强度越小。

本实施例中，所述光电信号接收单元100输出的电信号为电压信号，因此，所述电信号检测单元300为电压检测单元，所述电信号幅值为电压幅值。在其他实施例中，所述光电信号接收单元100输出的电信号也可以为电流信号，所述电信号检测单元300相应为电流检测单元，所述电信号幅值相应为电流幅值。

本实施例中，所述电信号检测单元300为模数转换器，从而能够对光电信号接收单元100输出的电信号进行数字化处理，便于后续利用处理单元400获取物体的反射率。

执行步骤S3，利用所述处理单元400，基于所述背景光强度获取物体的反射率。

本实施例中，利用所述处理单元400，基于每一个硅光电倍增器150输出的电信号幅值，获取相对应探测视场区域内物体的反射率。其中，所述反射率指的是物体之间的相对反射率。

具体地，所述处理单元400通过电信号幅值的范围和反射率的范围，等比例地计算获得每一个电信号幅值对应的反射率。例如，所述电信号幅值的最小值与反射率的最小值相对应，所述电信号幅值的最大值与反射率的最大值相对应。

在其他实施例中，也可以利用所述处理单元，基于每一个硅光电倍增器输出的电信号幅值对应的灰度值，获取相对应探测视场区域内物体的反射率。具体地，所述处理单元先将电信号幅值转化为灰度值，再基于每一个灰度值计算获得相对应的反射率。其中，相比于直接利用电信号幅值获取物体的反射率的方案，通过灰度值表征的颜色能够呈现在点云数据上，从而能够更直观地反映物体反射率的分布情况。

在该实施例中，所述处理单元对电信号幅值进行归一化处理，并输出灰度值。也就是说，所述背景光强度通过灰度值表征，每个硅光电倍增器对应的背景光强度，与一个灰度值相对应，灰度值越大，则背景光强度越大。

灰度值为背景光强度经过归一化后的值，且灰度值的大小取决于激光雷达的数据分辨率，根据数据分辨率的不同，所述灰度值具有不同的范围。以8位(8bits)灰度图为例，灰度值量化为256个灰度级，灰度值的范围为0至255。灰度值为0时，表示背景光强度最小，灰度值为255时，表示背景光强度最大。

需要说明的是，以灰度值表征背景光强度是利用电信号幅值表征背景光强度的一种具体实施方式。

在该实施例中，利用所述处理单元获得每一个硅光电倍增器输出的电信号幅值对应的灰度值后，所述处理单元通过灰度值的范围和所述反射率的范围，计算获得每一个灰度值对应的反射率。

具体地，所述灰度值的最小值与反射率的最小值相对应，所述灰度值的最大值与反射率的最大值相对应，根据所述灰度值的范围和所述反射率的范围，等比例地获取每一个灰度值对应的反射率。

相应的，在该实施例中，所述反射率指的是物体之间的相对反射率。

作为一种示例，所述处理单元400包括DSP(digital signal processing，数字信号处理)模块，从而实现运算处理。

本实施例中，所述测量电路还包括积分电路200，因此，在执行步骤S2之前，所述测量方法还包括：执行步骤S15，根据背景光强度，利用所述积分电路200来调节积分时间，所述积分时间为对所述光电信号接收单元100输出的电信号的采样时间。

由于利用所述光电信号接收单元100接收背景光，因此，随着激光雷达所处的环境不同，导致背景光强度相应会发生改变，从而对测量准确性产生影响。因此，通过调节积分时间，从而调节输出至所述处理单元400的电信号幅值。

其中，所述积分时间为对所述光电信号接收单元100输出的电信号的采样时间，所述积分时间越长，表示对所述硅光电倍增器150输出电信号的采样时间越长，相应地，所输出的电信号相对越强。

具体地，当激光雷达处于强环境光环境时，背景光强度相应较大，通过降低积分时间来降低所述硅光电倍增器150输出至所述处理单元400的电信号的强度，从而获取探测视场区域内物体的反射率；当激光雷达处于弱环境光环境时，背景光强度相应较小，则通过增加积分时间来提高所述硅光电倍增器150输出至所述处理单元400的电信号的强度，从而获取探测视场区域内物体的反射率。

本实施例中，根据前一次测量获得的背景光强度，调节后一次测量背景光强度时的积分时间，从而提高测量反射率的准确性。

具体地，所述调节积分时间的步骤包括：判断前一次测量获得的背景光强度；当前一次测量获得的背景光强度低于下限阈值时，在此次测量时，利用所述积分电路200增加积分时间；当前一次测量获得的背景光强度高于上限阈值时，在此次测量时，利用所述积分电路减小积分时间。

本实施例中，所述上限阈值和下限阈值可以根据背景光强度的历史数据的标准正态分布来确定，例如，根据背景光强度的标准正态分布，利用距离背景光强度平均值的2个标准差来确定上限阈值和下限阈值。具体地，上限阈值为距离环境光强度平均值的2个正标准差(即2σ)的光强值，下限阈值为距离环境光强度平均值的2个负标准差(即-2σ)的光强值。其中，σ表示环境光强度的标准差。

本实施例中，利用所述积分电路200调节积分时间时，通过所述电信号检测单元300控制所述输出电信号的采样时间，从而实现积分时间的调整。具体地，根据前一次测量获得的所述输出电信号的强度，调节后一次测量时的采样时间，从而避免由于环境光过强或过弱导致无法区分物体的反射率的问题。

需要说明的是，在其他实施例中，也可以采用开关代替所述积分电路中的第二电阻，通过所述开关控制积分电路的积分时间。具体地，通过控制所述开关呈断开状态，从而通过所述积分电路控制所述输出电信号输出至所述电信号检测单元进行检测，因此可以通过控制所述开关断开的时间来调整积分时间。

其中，所述开关可以为MOS晶体管或三极管。以所述开关为MOS晶体管为例，通过控制MOS晶体管的沟道的关断，从而控制所述开关呈断开状态。

本实施例中，所述测量电路还包括补光光源160，因此，在利用所述光电信号接收单元100接收背景光之前，所述测量方法还可以包括：基于前一次测量获得的背景光强度，确定是否开启所述补光光源160；当前一次测量获得的背景光强度低于阈值时，开启所述补光光源160。

由于利用所述光电信号接收单元100接收背景光，随着激光雷达所处的环境不同，所述背景光强度相应会发生改变，从而对测量准确性产生影响，因此，当在晚上或者较暗环境下进行测量时，可以采用所述补光光源160(即外在光源)进行补光，从而避免因光线过暗所引起的测量不到背景光强度的问题。

其中，所述补光光源160可以是激光雷达用于探测物体时采用的光源，也可以是额外增加的光源。作为一种示例，采用LED或激光器进行补光。在其他实施例中，还可以采用其他类型的光源进行补光。

在其他实施例中，当光电信号接收单元包括多个硅光电倍增器时，探测视场区域相应为多个，此时，所述多个探测视场区域采用同样的补光光源，因此，测量所获得的背景光强度同样能够表征各探测视场区域内物体的反射率。

本实施例中，利用测量背景光的方式，利用测量获得的背景光强度来表征物体的反射率，与通过发射脉冲、测量回波强度的方式来测量物体的反射率的方案相比，本实施例能够避免因光电信号接收单元100的饱和问题所导致的不能准确测量所述反射率的问题，从而有利于提高测量所述反射率的准确性。

尤其是，当利用所述硅光电倍增器150测量背景光信号时，由于硅光电倍增器150的结构特点，硅光电倍增器150由多个并联的单光子雪崩光电二极管组成，所述单光子雪崩光电二极管能够对单个光子检测，导致所述硅光电倍增器150更容易饱和，因此，能够显著提高测量反射率的准确性。

需要说明的是，每一次测量用于获得一帧背景光数据，因此，对于同一探测视场区域，可以利用前一帧背景光数据来表征当前帧的反射率。

还需要说明的是，所述测量方法还包括：向物体发射探测脉冲；通过光电信号接收单元接收由物体反射探测脉冲后的回波脉冲；根据所述探测脉冲和所述回波脉冲获取物体的距离信息；所述物体的反射率与所述距离信息用于形成点云数据。

其中，本实施例测量所获得的反射率的准确性较高，相应提高了点云数据的准确性，而且，本实施例所述测量方法与点云数据的测量过程相兼容。

相应的，本实施例还提供另一种利用前述实施例所述的用于激光雷达的测量电路的测量方法。

结合参考图2，图2是本发明用于激光雷达的测量电路另一实施例的示意图。

本发明实施例与前述实施例的相同之处在此不再赘述，本发明实施例与前述实施例的不同之处在于：所述光电信号接收单元700包括多个单光子探测单元715。

本实施例中，以所述单光子探测单元715为硅光电倍增器710为例进行说明。

本实施例中，在所述测量电路中，所述光电信号接收单元700还包括数据选择器(MUX)600，所述测量电路还包括控制单元800，因此，所述利用所述光电信号接收单元700接收背景光，并输出电信号的步骤包括：利用所述控制单元800控制所述数据选择器600对所述多个硅光电倍增器710进行选择；利用所述数据选择器600选择所述多个硅光电倍增器710中的一个进行电信号的输出。

结合参考图3，图3是光电信号接收单元700和数据选择器600的局部放大图。具体地，为了便于图示，图3示出了一个硅光电倍增器710以及与该硅光电倍增器710相连的控制开关610。

本实施例中，所述数据选择器600包括多个地址选择端和多个控制开关610，所述多个控制开关610与所述多个地址选择端一一对应耦接，且所述多个控制开关610与所述多个并联的硅光电倍增器710的输出端一一对应耦接。

因此，在测量的过程中，通过地址选择端选择目标探测视场区域对应的控制开关610，并利用使能信号进行控制，打开目标探测视场区域对应的控制开关610，剩余的探测视场区域对应的控制开关610呈关闭状态，从而使得数据选择器600选择所述多个硅光电倍增器710中的一个进行电信号的输出，且能够节约能耗。

本实施例中，所述控制开关610包括MOS晶体管或三极管。

相应的，所述利用所述控制单元610控制所述数据选择器600对所述多个硅光电倍增器710进行选择的步骤包括：开启待选择的硅光电倍增器710对应的MOS晶体管或三极管，并关闭剩余的MOS晶体管或三极管。作为一种示例，所述控制开关610为MOS晶体管，通过控制所述MOS晶体管的沟道的开启或关断，从而控制所述控制开关610的开启或关闭。

在另一些实施例中，当所述光电信号接收单元包括多个相并联的硅光电倍增器时，所述电信号检测单元的数量为多个，所述电信号检测单元的输入端与所述硅光电倍增器的输出端一一对应耦接，此时，利用所述电信号检测单元输出所述电信号对应的电信号幅值的步骤包括：利用各个所述电信号检测单元，获取相对应的所述硅光电倍增器的电信号对应的电信号幅值。

在这种情况下，所述光电信号接收单元中可以不设置数据选择器，所述测量电路还可以包括时序控制模块，所述测量方法还包括：利用所述时序控制模块，控制多个所述硅光电倍增器中的各个依次接收背景光，并输出电信号。

具体地，利用所述时序控制模块，直接控制多个硅光电倍增器的打开或关闭，进而依次输出不同的硅光电倍增器对应的电信号。

相应的，所述处理单元的数量可以为一个，所述处理单元可以从所述多个电信号检测单元输出的电信号幅值中选择数据进行处理，从而也能实现选择所述多个硅光电倍增器中的一个进行电信号的输出。

在其他实施例中，也可以不设置数据选择器或时序控制模块，相应的，所述电信号检测单元的数量为多个，在这种情况下，积分电路和处理单元的数量均为多个。相应的，利用各个所述电信号检测单元，获取相对应的所述硅光电倍增器的电信号对应的电信号幅值，利用各个处理单元，基于通过相对应的电信号检测单元获得的电信号幅值获取物体的反射率。

对本实施例所述测量方法的具体描述，可结合参考前述实施例的相应描述，在此不再赘述。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (21)

1.一种用于激光雷达的测量电路，其特征在于，包括：

光电信号接收单元，用于接收背景光，并输出电信号；

电信号检测单元，所述电信号检测单元的输入端与所述光电信号接收单元的输出端耦接，所述电信号检测单元用于输出所述电信号对应的电信号幅值，所述电信号幅值用于表征背景光强度；

处理单元，用于基于所述背景光强度获取物体的反射率。

2.如权利要求1所述的测量电路，其特征在于，所述光电信号接收单元包括单光子探测单元，所述单光子探测单元包括硅光电倍增器或单光子雪崩二极管阵列。

3.如权利要求2所述的测量电路，其特征在于，所述单光子探测单元的数量为多个；

所述光电信号接收单元还包括：数据选择器，用于选择所述多个单光子探测单元中的一个进行电信号的输出，其中，所述数据选择器包括：地址选择端；输入端，与所述单光子探测单元的各个输出端一一对应耦接；输出端，与所述电信号检测单元的输入端耦接；

所述测量电路还包括：控制单元，与所述数据选择器的地址选择端耦接，所述控制单元用于控制所述数据选择器对所述多个单光子探测单元进行选择。

4.如权利要求3所述的测量电路，其特征在于，所述数据选择器包括多个地址选择端和多个控制开关，所述多个控制开关与所述多个地址选择端一一对应耦接，且所述多个控制开关与所述多个单光子探测单元的输出端一一对应耦接。

5.如权利要求4所述的测量电路，其特征在于，所述控制开关包括MOS晶体管或三极管。

6.如权利要求5所述的测量电路，其特征在于，所述MOS晶体管为NMOS晶体管或PMOS晶体管，所述MOS晶体管的栅极与所述地址选择端一一对应耦接，所述MOS晶体管的源极与所述单光子探测单元的输出端一一对应耦接，所述MOS晶体管的漏极与所述电信号检测单元的输入端耦接。

7.如权利要求2所述的测量电路，其特征在于，所述单光子探测单元的数量为多个，且多个所述单光子探测单元相并联；

所述电信号检测单元的数量为多个，且所述电信号检测单元的输入端与所述单光子探测单元的输出端一一对应耦接。

8.如权利要求7所述的测量电路，其特征在于，所述测量电路还包括：时序控制模块，用于控制多个所述单光子探测单元中的各个依次接收背景光，并输出电信号。

9.如权利要求1至8中任一项所述的测量电路，其特征在于，所述测量电路还包括：积分电路，位于所述光电信号接收单元的输出端和电信号检测单元的输入端之间，所述积分电路用于根据背景光强度调节积分时间，所述积分时间为对所述光电信号接收单元输出的电信号的采样时间。

10.如权利要求9所述的测量电路，其特征在于，所述积分电路用于根据前一次测量获得的背景光强度，调节后一次测量背景光强度时的积分时间。

11.如权利要求1所述的测量电路，其特征在于，所述测量电路还包括：补光光源，用于根据前一次测量获得的背景光强度，在后一次测量背景光强度时进行补光。

12.一种激光雷达，其特征在于，所述激光雷达包括光发射装置和光接收装置，所述光接收装置包括如权利要求1至11中任一项所述的测量电路。

13.一种利用如权利要求1至11中任一项所述的用于激光雷达的测量电路的测量方法，其特征在于，包括：

利用所述光电信号接收单元接收背景光，并输出电信号；

利用所述电信号检测单元输出所述电信号对应的电信号幅值，所述电信号幅值用于表征背景光强度；

利用所述处理单元，基于所述背景光强度获取物体的反射率。

14.如权利要求13所述的测量方法，其特征在于，所述光电信号接收单元包括多个单光子探测单元、以及数据选择器；

所述测量电路还包括：控制单元；

利用所述光电信号接收单元接收背景光，并输出电信号的步骤包括：利用所述控制单元控制所述数据选择器对所述多个单光子探测单元进行选择；利用所述数据选择器选择所述多个单光子探测单元中的一个进行电信号的输出。

15.如权利要求14所述的测量方法，其特征在于，所述数据选择器包括多个地址选择端和多个控制开关，所述控制开关包括MOS晶体管或三极管；

利用所述控制单元控制所述数据选择器对所述多个单光子探测单元进行选择的步骤包括：开启待选择的单光子探测单元对应的MOS晶体管或三极管，并关闭剩余的MOS晶体管或三极管。

16.如权利要求13所述的测量方法，其特征在于，所述光电信号接收单元包括多个并联的单光子探测单元；

所述电信号检测单元的数量为多个，且与所述单光子探测单元一一对应；

利用所述电信号检测单元输出所述电信号对应的电信号幅值的步骤中，利用各个所述电信号检测单元，获取相对应的所述单光子探测单元的电信号对应的电信号幅值。

17.如权利要求16所述的测量方法，其特征在于，所述测量电路还包括：时序控制模块；

所述测量方法还包括：利用所述时序控制模块，控制多个所述单光子探测单元中的各个依次接收背景光，并输出电信号。

18.如权利要求13所述的测量方法，其特征在于，所述测量电路还包括：积分电路；

所述测量方法还包括：根据所述背景光强度，利用所述积分电路来调节积分时间，所述积分时间为对所述光电信号接收单元输出的电信号的采样时间。

19.如权利要求18所述的测量方法，其特征在于，所述调节积分时间的步骤包括：判断前一次测量获得的背景光强度；当前一次测量获得的背景光强度低于下限阈值时，利用所述积分电路增加积分时间；当前一次测量获得的背景光强度高于上限阈值时，利用所述积分电路减小积分时间。

20.如权利要求13所述的测量方法，其特征在于，所述测量电路还包括：补光光源；

在利用所述光电信号接收单元接收背景光之前，所述测量方法还包括：基于前一次测量获得的背景光强度，确定是否开启所述补光光源；当前一次测量获得的背景光强度低于阈值时，开启所述补光光源。

21.如权利要求13至20中任一项所述的测量方法，其特征在于，所述测量方法还包括：

向物体发射探测脉冲；

通过所述光电信号接收单元接收由所述物体反射探测脉冲后的回波脉冲；

根据所述探测脉冲和所述回波脉冲获取所述物体的距离信息；

所述物体的反射率与所述距离信息用于形成点云数据。

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