CN211236238U - 光检测和测距(lidar)***及无人载运工具 - Google Patents

光检测和测距(lidar)***及无人载运工具 Download PDF

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Abstract

本文介绍的是用于实现基于比较器的光检测和测距***及无人载运工具的技术，该光检测和测距***具有诸如改进的高速比较器电路之类的改进组件，以从无人移动物体(例如，UAV)的周围环境获取深度信息。在各种实施例中，光检测和测距***包括放大器模块，该放大器模块具有不同配置的抗饱和电路。光检测和测距***还可以包括用于噪声干扰减少和定时测量补偿的各种反馈控制机构，包括例如光电检测器模块的动态增益调整和/或比较器的阈值的动态调整。除了其他组件之外，所公开的比较器电路可以为光检测和测距***提供宽动态范围，从而防止大信号放大饱和，同时还提供小信号的充分放大。

Description

光检测和测距(LIDAR)***及无人载运工具
技术领域
本公开总体涉及电子信号处理，并且更具体地涉及光检测和测距 (LIDAR)应用中的信号处理相关组件、***和技术。
背景技术
随着性能的不断提高和成本的不断降低，诸如无人机(UAV)之类的无人可移动物体现在广泛地应用于许多领域。代表性任务包括农作物监测、不动产摄影、建筑物和其他结构的检查、消防和安全任务、边境巡逻以及产品交付等。对于障碍物检测以及其他功能，有益的是UAV配备有障碍物检测和周围环境扫描装置。由于光检测和测距 (LIDAR，也称为“光雷达”)能够在几乎所有天气条件下发挥作用，因此它是一种可靠而稳定的检测技术。然而，传统的LIDAR装置通常是昂贵的，因为它们需要高性能的模数转换器芯片，从而使得大多数传统的LIDAR装置不适合低成本的无人载运工具应用。
因此，仍然需要用于实现LIDAR扫描模块(例如，诸如由飞行器、空中平台、自主载运工具、船只或机器人承载的LIDAR扫描模块)的改进的技术和***。
实用新型内容
以下概述为了读者的方便而提供，并且指出所公开的技术的一些代表性实施例。根据代表性实施例的光检测和测距***包括：光感测模块，用于检测脉冲光信号并生成对应电子信号；以及放大器模块，耦接到所述光感测模块，用于处理所述对应电子信号。放大器模块还可以耦接到脉冲信息获取子***以提取脉冲能量信息。放大器模块可以包括运算放大器和抗饱和电路，抗饱和电路耦接到运算放大器，用于基于对应电子信号的幅值选择性地减小运算放大器的增益，或用于将运算放大器接收的对应电子信号的幅值限制到预定范围，或用于这两者。在一些实施例中，该***还可以包括控制器，该控制器具有用于接收脉冲能量信息的输入端和耦接到光感测模块的输出端。在一些实施方式中，控制器被配置为响应于脉冲能量信息而动态地控制光感测模块的增益。
一些实施例规定，抗饱和电路包括运算放大器抗饱和电路，该运算放大器抗饱和电路被定位在运算放大器的反馈回路上，用于减小该运算放大器的增益。根据实施例，随着对应电子信号的幅值的增加，可以通过运算放大器抗饱和电路来成比例地减小运算放大器的增益。
在一个或多个实施例中，抗饱和电路可以包括前置放大器抗饱和电路，该前置放大器抗饱和电路被定位在放大器模块的信号输入端与运算放大器的输入端之间，用于限制运算放大器接收的对应电子信号的幅值。在一些示例中，抗饱和电路还可以包括后置放大器抗饱和电路，该后置放大器抗饱和电路被定位在放大器模块的信号输出端与运算放大器的输出端之间，用于限制运算放大器输出的放大电子信号的幅值。
该光检测和测距***还可以包括比较器模块，用于从运算放大器模块接收放大电子信号并生成数字化电子信号。此外，该***可以包括时间数字转换器模块，用于接收数字化电子信号并生成与数字化电子信号相关联的时间信息。
根据某些实施例，控制器还可以耦接到比较器模块，用于基于由控制器观察到的噪声来动态地调整比较器模块的触发阈值。在一些示例中，当噪声超过比较器模块的触发阈值时，减小光感测模块的增益。
在一些变型中，控制器被配置为确定环境光是否是由控制器观察到的噪声的主要来源。在一些实施方式中，控制器被配置为在环境光被确定为是由控制器观察到的噪声的主要来源时，优先减小光感测模块的增益以减小来自噪声的可能干扰。在许多实施例中，控制器被配置为在环境光被确定为不是由控制器观察到的噪声的主要来源时，优先增大比较器模块的触发阈值以减小来自噪声的可能干扰。
在一个或多个实施例中，控制器被配置为执行脉冲的双边沿定时测量，并基于所述双边沿定时测量来补偿定时误差。此外，在多个示例中，控制器被配置为执行脉冲的双边沿定时测量，并且在一些示例中，能够基于所述双边沿定时测量来估计脉冲能量信息。本公开的若干实施例还包括：控制器被配置为执行脉冲的双边沿定时测量，并且基于所述双边沿定时测量来估计由***检测到的物体的表面性质。
本文中公开的实施例中的一些还可以包括脉冲信息获取子***，用于基于来自放大器模块的输出而生成脉冲能量信息。在一些变型中，脉冲信息获取子***包括用于计算给定脉冲的脉冲能量信息的积分器电路。附加地或备选地，脉冲信息获取子***包括用于保留给定脉冲的峰值信息的峰值保持电路。在一些示例中，脉冲信息获取子***包括用于扩展给定脉冲的波形的脉冲扩展电路。
该光检测和测距***还可以包括发光模块，其耦接到控制器以响应于来自控制器的控制而发射脉冲光信号。在某些示例中可以包括保护电路以保护发光模块免受电压尖峰的影响。在一些实施方式中，保护电路被定位在发光器件与地之间，该保护电路包括与用于控制发光器件的控制开关并联的二极管。在变型中，保护电路包括二极管，并且保护电路与发光器件并联，并且其中用于控制发光器件的控制开关被定位在发光器件与地之间。
该光检测和测距***的一些示例可以包括耦接到放大器模块以形成多级放大器的后续放大器模块。在一些另外的示例中，***可以包括第二比较器，其耦接到与比较器模块中的第一比较器相同的输入端。第二比较器可以接收与第一比较器不同的触发阈值电压。在一些实施例中，每个比较器连接到单独的时间数字转换器模块。
至少一个实施例包括无人机，该无人机包括：机身；如上所述的光检测和测距***；控制器，被配置为响应于来自光检测和测距***的读数而操纵该载运工具；以及多个推进器，由机身承载并且被定位成响应于来自控制器的输入而操纵该载运工具。
又一个实施例包括制造上述装置的任意和所有组合的方法。
附图说明
图1是具有可移动物体的代表性***的示意图，该代表性***具有根据本技术的一个或多个实施例配置的多个元件。
图2A是示出了基于比较器的采样方法的基本工作原理的简化图。
图2B是比较器之前和之后的脉冲信号的输入和输出波形的图示。
图3是根据本技术的实施例的基于比较器的LIDAR***的框图。
图4是根据本技术的实施例的具有抗饱和电路的放大器模块的示意图，该抗饱和电路包括信号路径抗饱和电路和运算放大器反馈回路抗饱和电路。
图5是根据本技术的实施例的信号路径抗饱和电路的作用的图示。
图6是根据本技术的实施例的具有另一运算放大器反馈回路抗饱和电路的放大器模块的示意图。
图7是根据本技术的实施例的运算放大器反馈回路抗饱和电路的作用的图示。
图8是不同幅值的两个模拟脉冲信号及其对比较器模块的影响的图示。
图9是根据本技术的实施例的具有可调整参考阈值电压的比较器模块的示意图。
图10是根据本技术的实施例的具有可调整参考阈值电压的另一比较器模块的示意图。
图11是根据本技术的实施例的具有可调整增益的光感测模块的示意图。
图12是根据本技术的实施例的针对脉冲信号执行双边沿定时测量的图示。
图13是根据本技术的实施例的峰值保持电路的示意图。
图14是根据本技术的实施例的积分器电路的示意图。
图15是根据本技术的实施例的脉冲扩展电路的示意图。
图16是脉冲的测量定时信息与脉冲的幅值之间的关系的图示。
图17是脉冲的测量定时信息与脉冲的能量之间的关系的图示。
图18是脉冲扩展之前和之后的脉冲信号的图示。
图19是根据本技术的实施例的发光模块中的发射器保护电路的示意图。
图20是根据本技术的实施例的发光模块中的另一发射器保护电路的示意图。
图21是根据本技术的实施例的具有多比较器配置(例如，用于从脉冲信号中采样附加信息)的比较器模块的示意图。
图22是在图21的比较器模块的情况下脉冲信号上的多个采样点的图示。
具体实施方式
对于诸如无人机(UAV)之类的无人可移动物体来说重要的是能够独立地检测障碍物和/或自动地从事避障操纵。由于光检测和测距 (LIDAR)几乎可以在所有的天气条件下工作，所以LIDAR是一种可靠而稳定的检测技术。此外，与仅能够在两个维度上感测周围环境的传统图像传感器(例如，相机)不同，LIDAR可以通过检测深度来获得三维信息。为了便于下文的时论，示例类型的LIDAR的基本工作原理可以理解如下：首先，LIDAR***发射光信号(例如，脉冲激光)；然后，在光信号被目标物体反射之后，LIDAR***检测反射光信号，并测量发射光时与检测到反射光时二者之间经过的时间。该经过的时间也被称为飞行时间(TOF)。可以基于时间差和估计的光速来计算到周围物体的距离，例如，“距离＝(光速×飞行时间)/2”。利用诸如发射光的角度之类的附加信息，可以通过LIDAR***来获得周围环境的三维信息。
然而，传统的LIDAR***通常是昂贵的，因为它们需要高性能的模数转换器芯片，从而使得大多数传统的LIDAR***不适合低成本应用。具体地，为了成功地捕获非常短的脉冲信号(例如，脉冲持续时间仅为几十纳秒到几纳秒)，大多数传统的LIDAR***依赖于高速模数转换器(ADC)(例如，采样速率超过每秒一千兆采样(GSPS))来执行光脉冲信号的数字化。高速ADC通常具有高成本、高功耗。此外，高速ADC采样基于以相同的时间间隔来对具有不同电压的模拟信号进行采样(即，相对于时间轴的采样)。因此，采样的定时独立于脉冲信号并且没有任何时间相关性。需要提取算法来提取模拟信号的定时信息。这些缺点使得基于高速ADC的LIDAR对于低成本应用成为不太优选的解决方案。
另一种备选的解决方案是在LIDAR***中利用基于比较器的采样来收集反射脉冲信号的定时信息。图2A是示出了基于比较器的采样方法的基本工作原理的简化图。该方法基于模拟信号与特定电压阈值交叉时的定时。如图2A的示例所示，比较器240基本上是运算放大器，该运算放大器被配置为将其非反相输入端(PIN3)与其反相输入端 (PIN4)之间的电压进行比较，并基于该比较来输出逻辑高或低电压。例如，当在非反相输入端PIN3处接收到模拟脉冲信号202(例如，从目标物体反射回的模拟脉冲信号)时，比较器240将信号202的电压水平与反相输入端PIN4处的参考阈值电压206(在本文中也被称为“触发阈值”)进行比较。当信号202超过参考阈值电压206时，比较器202 的输出变为高(例如，VDD)，否则为低(例如，GND)。结果是数字化(例如，二进制)矩形脉冲信号204。图2B是比较器之前和之后的脉冲信号的输入和输出波形的图示。当向时间数字转换器(TDC)250 输出矩形脉冲信号204时，可以提取信号204的相关定时信息(例如，时间t1和时间t2)。由于采样点与时间之间存在相关性(与基于ADC的方法相反)，因此基于比较器的采样方法可以以更直接的方式来更有效地捕获脉冲信息。
然而，使用比较器的方法在收集可能在宽范围内快速波动的信号 (即，高度动态信号)时具有其局限性。具体地，LIDAR***中的某些组件(例如，运算放大器)在面临幅值波动太大的信号时将饱和。与其他典型的基于LIDAR的应用(例如，距离测量(或“距离测定(range finding)”))相反，这种“高动态范围信号饱和”问题在基于LIDAR 的无人载运工具应用(例如，用于碰撞避免或3D周围环境扫描)中是非常特别的。在距离测量应用中，因为手头的唯一任务是确定测距仪与目标物体之间的静态距离，所以可以通过多次测试来针对相同的距离执行测距测量。初始测试可以利用以减小的增益设置和降低的灵敏度操作的电路来执行，以避免电路饱和，同时获得近似的距离和用于后续测试的适当的增益设置，从而减轻或避免上述饱和问题。
相反，在无人载运工具应用中，LIDAR***需要以相对高的频率 (例如，每秒多次)来扫描周围环境。在无人载运工具正在移动且周围环境中存在可能相对于无人载运工具位于不同距离的多个物体时，在能够进行准确测量之前需要执行多次测试以进行增益调整的设计即使不是简单地不可接受的，也是不切实际的。在本公开中观察到，在测量相距0.1米与相距50米的物体时，反射光信号之间的幅值差可以达到104到105倍。因此，期望的是具有一种低成本的基于比较器的LIDAR ***，其也具有高动态范围(即，当面对在其强度上具有大的差异的反射信号时不会饱和)。
因此，本技术涉及用于实现LIDAR***的技术，该LIDAR***具有改进的组件(例如，改进的比较器电路)，以获取无人载运工具的周围环境的深度信息。除了其他组件之外，所公开的比较器电路可以向 LIDAR***提供宽动态范围，从而防止大信号放大饱和，同时还提供小信号的充分放大。
在以下描述中，仅出于说明性目的，使用UAV的示例来解释可以使用比传统的LIDAR更便宜且更轻质的LIDAR扫描模块来实现的各种技术。在其他实施例中，在此介绍的技术适用于其他合适的扫描模块、载运工具或两者。例如，尽管结合这些技术介绍的一个或多个附图例示了UAV，但是在其他实施例中，这些技术以类似的方式适用于其他类型的可移动物体，包括但不限于无人载运工具、手持式装置或机器人。在另一示例中，尽管这些技术特别适用于由LIDAR***中的激光二极管产生的激光束，但在其他实施例中其他类型的光源(例如，其他类型的激光器或发光二极管(LED))也可以是适用的。
在下文中，阐述了许多具体细节以提供对当前公开的技术的透彻理解。在其他实施例中，在此介绍的技术可以在没有这些具体细节的情况下实施。在其他情况下，为了避免不必要地模糊本公开，不详细描述诸如具体制造技术之类的众所周知的特征。在本说明书中对“实施例”、“一个实施例”等的引用表示所描述的特定特征、结构、材料或特性被包括在本公开的至少一个实施例中。因此，本说明书中这些短语的出现不一定都指代相同的实施例。另一方面，这样的引用也不一定是相互排斥的。此外，可以在一个或多个实施例中通过任何合适的方式来组合特定特征、结构、材料或特性。此外，应该理解的是，附图中示出的各种实施例仅是例示性的表示，并且不一定按比例绘制。
为了清楚起见，在下面的描述中没有阐述若干细节，这些细节用于描述众所周知并经常与UAV以及对应的***和子***相关联的结构或过程，这些结构或过程可能不必要地与所公开的技术的一些重要方面相混淆。此外，尽管以下公开内容阐述本公开的不同方面的若干实施例，但是一些其它实施例可以具有与本部分中所描述的配置或组件不同的配置或不同的组件。因此，所介绍的技术可以具有其他实施例，这些其他实施例具有附加元件或者不具有下面描述的若干元件。
以下描述的本公开的许多实施例可以采取计算机可执行指令或控制器可执行指令的形式，包括由可编程计算机或控制器执行的例程。相关领域的技术人员将认识到，所介绍的技术可以在除以下所示和所述的之外的计算机或控制器***上实施。本文中介绍的技术可以包含在被专门编程、配置或构造为执行下面描述的一个或多个计算机可执行指令的专用计算机或数据处理器中。因此，本文中通常使用的术语“计算机”和“控制器”是指任何数据处理器，并且可以包括互联网设备和手持装置(包括掌上计算机、可穿戴计算机、蜂窝或移动电话、多处理器***、基于处理器的或可编程的消费电子产品、网络计算机、微型计算机等)。由这些计算机和控制器处理的信息可以呈现在包括液晶显示器(LCD)在内的任何合适的显示介质上。用于执行计算机可执行任务或控制器可执行任务的指令可以存储在任何合适的计算机可读介质(包括硬件、固件、或硬件和固件的组合)中或其上。指令可以被包含在任何合适的存储装置中，包括例如闪存驱动器、USB装置和/或其它合适的介质。
本文可以使用术语“耦接”和“连接”及其派生词来描述组件之间的结构关系。应当理解，这些术语不意在作为彼此的同义词。相反，在特定实施例中，“连接”可以用于指示两个或更多个元件彼此直接接触。除非在上下文中另外说明，否则术语“耦接”可以用于指示两个或更多个元件直接或间接地(其间具有其他中间元件)彼此接触、或者两个或更多个元件彼此协作或相互作用(例如，具有因果关系)、或两者。
出于本文中的讨论的目的，术语“水平”、“水平地”、“竖直”或“竖直地”以相对的意义来使用，并且更具体地，相对于无人载运工具的主体来使用。例如，“水平”扫描意味着扫描平面总体上平行于由主体形成的平面的扫描，而“竖直”扫描意味着扫描平面总体上垂直于由主体形成的平面的扫描。
1.概述
图1是代表性***100的示意图，该代表性***具有根据本技术的一个或多个实施例的元件。该***100包括可移动物体110和控制*** 140。虽然可移动物体110被描绘为无人机(UAV)，但是这种描绘不意图是限制性的，并且可以在其他实施例中使用任何合适类型的可移动物体，例如无人航海船舰、无人机器人、无人机动车辆、自主汽车或任何其他合适的可移动物体。
可移动物体110可以包括能够承载负载120的主体111(例如，机身)，负载例如是成像装置或光电扫描装置(例如，LIDAR装置)。在特定实施例中，负载120可以是相机，例如，摄像机和/或静止相机。相机可以对各种合适波段(包括可视光、紫外线、红外线和/或其他波段) 的任何波段中的波长敏感。在另一些实施例中，负载120可以包括其他类型的传感器和/或其他类型的货物(例如包裹或其他可配送物)。在这些实施例中的许多实施例中，负载120通过承载机构125相对于主体 111得到支撑。在一些实施例中，承载机构125可以允许负载120相对于主体111独立地定位。例如，承载机构125可以允许负载120围绕一个、两个、三个或更多个轴旋转。在其他实施例中，承载机构125可以允许负载120沿着一个、两个、三个或更多个轴线性移动。用于旋转或平移移动的轴可以彼此正交或可以不彼此正交。这样，当负载120包括成像装置时，成像装置可以相对于主体111移动以拍摄、录像或跟踪目标。
在一些实施例中，负载120可以刚性地耦接到可移动物体110或与可移动物体110连接，使得负载120相对于可移动物体110总体上保持静止。例如，连接可移动物体110和负载120的承载机构125可以不允许负载120相对于可移动物体110移动。在其他实施例中，负载120可以直接耦接到可移动物体110，而不需要承载机构125。
一个或多个推进单元130可以使可移动物体110能够起飞、降落、悬停和相对于多达三个平移自由度和多达三个旋转自由度在空中移动。在一些实施例中，推进单元130可以包括一个或多个旋翼。旋翼可以包括耦接到轴杆的一个或多个旋翼叶片。旋翼叶片和轴杆可以通过合适的驱动机构(例如电机)旋转。虽然可移动物体110的推进单元130被描绘为基于螺旋桨并且可以具有四个旋翼，但是可以使用任何合适数量、类型和/或布置的推进单元。例如，旋翼的数量可以是一个、两个、三个、四个、五个或甚至更多个。旋翼可以相对于可移动物体110竖直地、水平地或以任何其他适当的角度取向。旋翼的角度可以是固定的或可变的。推进单元130可以由任何合适的电机驱动，例如(比如刷式或无刷式)DC电机或AC电机。在一些实施例中，电机可以被配置为安装和驱动旋翼叶片。
可移动物体110被配置为从控制***140接收控制命令。在图1所示的实施例中，控制***140包括承载在可移动物体110上的一些组件和定位在可移动物体110之外的一些组件。例如，控制***140可以包括：由可移动物体110承载的第一控制器142和远离可移动物体110定位并经由通信链路146(例如，诸如基于射频(RF)的链路之类的无线链路)连接的第二控制器144(例如，由人操作的遥控器)。第一控制器142可以包括计算机可读介质143，其执行指导可移动物体110的动作的指令，这些动作包括但不限于推进***130和负载120(例如相机) 的操作。第二控制器144可以包括一个或多个输入/输出装置，例如显示和控制按钮。操作者操纵第二控制器144以远程控制可移动物体110，并且经由显示器和/或第二控制器144上的其它界面从可移动物体110 接收反馈。在其他代表性实施例中，可移动物体110可以自主地操作，在这种情况下，第二控制器144可以被取消，或者可以仅用于操作者超控(override)功能。
2.高动态范围光检测和测距(LIDAR)***
图3是根据本技术的实施例的基于比较器的LIDAR***300的框图。如图3所示，示例LIDAR***300包括发射光束302(例如，脉冲激光射线)的发光模块310，和检测从目标物体反射回来的光304的光感测模块320。LIDAR***300还包括放大器模块330、比较器模块340、时间数字转换器(TDC)模块350和主控制单元(MCU)360。LIDAR ***300也可以包括用于驱动发光模块310的驱动器模块370。在此应注意，图3中示出的模块仅仅是示例。可以针对特定领域应用通过适当的方式来组合、划分或以其他方式重新布置这些模块的功能。例如，在一些实施例中，驱动器模块370合并在发光模块310中。在一些示例中，比较器模块340的一个或多个功能可以与TDC模块350一起实现。此外，在此提到的关于各种模块和/或电路的多个功能可以由MCU 360实现或与MCU 360一起实现。
光感测模块320通常包括光电检测器322(例如，雪崩光电二极管 (APD)设备)，其利用半导体材料的光电效应将反射光304转换成模拟电信号。如图所示，当发射光302包括脉冲时，对应的反射光304通常应该具有脉冲形状，并且由光电检测器322生成的模拟电信号也应如此。值得注意的是，反射光中的脉冲的实际形状将受到多个环境因素的影响，例如噪声(例如，下面讨论的环境光噪声和/或电子噪声)、目标物体的距离、目标物体的表面和颜色等，因此图3中所示的形状仅用于示例目的。在多个实施例中，光感测模块330还包括动态增益调整电路324。动态增益调整电路324可以从MCU360接收增益控制信号，以调整光电检测器322的增益。注意，在一些实施例中，光电检测器322 可以包括用于增益调整的内置能力，并且可以合并到光感测模块320 中以执行本文中关于动态增益调整电路324所述的功能。后面关于图11 更详细地讨论光感测模块320的动态增益调整。
放大器模块330接收光感测模块320的输出，并放大该信号以进行进一步的处理。在多个实施例中，放大器模块330可以包括放置在运算放大器(为简单起见未在图3中示出)的一个或多个策略位置处的抗饱和电路332，以便在运算放大器面对极其强大的信号时(例如，当扫描LIDAR突然遇到太近的周围物体时)防止该运算放大器变得饱和。除了其他公开的组件和电路之外，抗饱和电路332可以极大地增大 LIDAR***300可接受的信号强度范围(即，不会导致运算放大器饱和)，这解决或至少减轻了上述“高动态范围信号饱和”问题。后面关于图4至图7更详细地讨论放大器模块330的抗饱和。
比较器模块340接收由放大器模块330放大的信号，并将其与参考阈值电压(或“触发阈值”)进行比较。如上面关于图2所介绍的，当信号超过参考阈值电压时，比较器模块340的输出变为逻辑高(例如， VDD)；相反地，当信号没有超过参考阈值电压时，比较器模块340的输出变为逻辑低(例如，GND)。比较器模块340的结果是数字化(例如，二进制)矩形脉冲信号。根据多个实施例，比较器模块340可以包括动态阈值调整电路342。动态阈值调整电路342可以从MCU 360接收阈值控制信号，以调整比较器340的触发阈值。后面关于图8至图10更详细地讨论比较器模块340的动态触发阈值调整。
另外，LIDAR***300的一些实施例可以包括多阈值测量电路334，其可以在比较器模块340中包括例如多比较器配置。多阈值测量电路 334可以使比较器模块340能够对单个光脉冲执行多点测量，这使得 LIDAR***300能够收集关于反射光脉冲的附加的多条信息。LIDAR ***300可以使用这些附加的多条信息来进一步增强其功能，例如，增加脉冲定时测量的准确度，或增加脉冲能量估计的准确度。后面关于图21至图22更详细地讨论比较器模块340的多阈值测量。
TDC模块350测量来自比较器模块340的矩形脉冲信号的定时，并向MCU360输出该信号的相关定时信息。根据实施方式，TDC模块350 可以包括用于执行双边沿定时测量的电路352，其可以生成关于脉冲的附加信息。该附加信息也可以用于增强LIDAR***300的功能。后面关于图12更详细地讨论TDC模块350中的脉冲信号的双边沿定时测量。
MCU360随后估计飞行时间(即，发射光脉冲302时与返回反射光脉冲304时两者之间的时间差)，并基于时间差和估计的光速(其大致保持恒定)计算到周围物体的距离。MCU360(例如，图1的控制器142)可以是通用处理器，或者可以是专用集成电路，其提供算术和控制功能以在LIDAR***300上实现本文公开的技术。处理器可以包括高速缓冲存储器(为简单起见未示出)以及其他存储器(例如，主存储器和/或诸如固态驱动器之类的非易失性存储器)。根据一些实施例，存储器可以包括一个或多个存储器芯片或模块，并且LIDAR*** 300上的处理器可以执行存储在其存储器中的多个指令或程序代码。
此外，根据各种实施例，MCU 360可以基于LIDAR***300的当前环境，更具体地，基于关于反射光脉冲304获取的各种信息，(例如，在正常操作期间)动态地且自适应地调整多个操作参数(例如，比较器模块340的触发阈值和/或光感测模块320的增益)。MCU 360可以使用脉冲信息获取子***来获取脉冲信息。脉冲信息获取子***可以包括硬件、软件和/或固件，并且根据实施例，脉冲信息获取子***可以是逻辑实体，其中的实际组件包含在本文中介绍的各种其他模块中。 LIDAR***300的脉冲信息获取子***可以包括上述TDC模块350(用于获取脉冲定时信息)，并且还可以包括能量获取模块334以获取脉冲能量信息。能量获取模块334可以实现多种技术(及它们的对应电路)，例如包括：基于由TDC模块350执行的双边沿定时测量来导出能量信息，保持脉冲信号的峰值，和/或执行用于计算脉冲信号中的能量信息的积分。根据实施方式，能量获取模块334的一些实施例基于来自放大器模块330的输出，处理和估计脉冲能量信息。在备选实施例中，能量获取模块334可以基于直接来自光感测模块320的输出，处理和估计脉冲能量信息。脉冲能量子***的这些能量信息获取技术将在后面关于图13 至图18更详细地讨论。
另外，发光模块310可以包括发射器保护电路314，以保护发射器 312免受例如来自电压尖峰的损害，该电压尖峰在发射器312被驱动接通时或者被切断时可能发生。后面关于图19至图20更详细地讨论发光模块310的保护。
考虑上述内容并继续参考图3，下面进一步讨论包含所公开的信号处理技术的各种模块和电路。
3.抗饱和电路
图4是根据本技术的实施例的具有抗饱和电路的放大器模块400 (例如，图3的放大器模块330)的示意图。放大器模块400包括运算放大器402，其具有反相输入端PIN4、非反相输入端PIN3和输出端PIN1。放大器模块400的抗饱和电路可以包括运算放大器抗饱和电路410(例如，被定位在运算放大器402的反馈回路上)和一对信号路径抗饱和电路。如图4所示，该对信号路径抗饱和电路包括前置放大器抗饱和电路 420和后置放大器抗饱和电路430。其他实施方式可以包括电路410、420 和430的任何合适的组合，包括例如在放大器模块400中实现电路410、 420和430中的任何一个、两个或全部三个。
总的来说，抗饱和电路用于增大LIDAR***300关于信号强度可接受的动态范围(即，不导致运算放大器饱和)。为了应对信号强度的宽动态范围，抗饱和电路的实施例以减小饱和可能性或避免饱和的方式进行配置。这是因为，如果运算放大器被过驱动则可能饱和，这可能使运算放大器花费相对长的时间来恢复(其长度通常取决于过驱动的量)。饱和可能致使运算放大器暂时不能操作(例如，因为来自饱和运算放大器的失真输出和/或延迟输出可能不利地影响后续级的测量)，这进而可能导致LIDAR***无法以准确且及时的方式对快速的短光脉冲做出响应。利用在此公开的抗饱和电路，放大器模块400可以针对较小的信号执行正常放大；然而，针对较大的信号，放大将被快速地减小(例如，与输入信号的幅值的大小成比例)，使得总输出振幅停留在***的正常操作的界限内。
a.信号路径抗饱和电路
信号路径抗饱和电路帮助将运算放大器402的输入/输出保持在正常操作界限内。具体地，前置放大器抗饱和电路420用于限制向运算放大器402输入的信号的幅值。在图4所示的示例中，前置放大器抗饱和电路420可以基于二极管D1(例如，P-N结半导体二极管)来实现。在运算放大器402的输入信号路径上，二极管D1产生附加电路径，使得当在输入信号路径上存在电压超过二极管D1的阈值电压(也称为“切入”电压或“导通”电压)的信号时，二极管D1变得导通，从而允许电流流过二极管D1(例如，流到诸如GND之类的参考电压)。此外，电流与超过二极管D1的阈值电压的电压量成比例地增加，因此，二极管D1有效地将信号电压钳制(clamp)在阈值电压处或阈值电压附近。
在此观察到从光感测模块(例如，图3的光感测模块320)输出的信号类似于电流信号。如图4的实施例所示，前置放大器抗饱和电路420 还包括连接在放大器模块400的信号输入端Signal_in与运算放大器402 的反相输入端PIN4之间的输入电阻器R1。实际上，在运算放大器402 放大信号之前，前置放大器抗饱和电路420将来自光感测模块320的电流信号转换为电压信号，并执行电压钳制。利用输入电阻器R1，随着输入电流的增加，由输入电阻器R1生成的电压差也增加。当电压差超过二极管D1的阈值电压时，二极管D1变得导通并且用作钳制旁路。换句话说，前置放大器抗饱和电路420的配置在电流较大时为电流产生旁路路径。此外，旁路路径上的电流随着信号电流的幅值而增加，并且从而限制了可以流过输入电阻器R1的最大电流。
后置放大器抗饱和电路430在电压信号的信号放大之后用作钳制旁路，以便限制从放大器模块400向后续级(例如，图3的比较器模块340)输出的信号。在图4所示的示例中，后置放大器抗饱和电路430 包括二极管D3和输出电阻器R4。二极管D3连接在放大器模块400的信号输出端Signal_out与参考电压之间，并且输出电阻器R4连接在放大器模块400的信号输出端Signal_out与运算放大器402的输出端PIN1之间。因为信号是电压信号，所以后置放大器抗饱和电路430中的在二极管D3之前具有输出电阻器R4的配置可以被理解为旁路路径。当信号小时，后置放大器抗饱和电路430不对放大信号执行衰减。然而，当输出信号超过二极管D3的阈值电压时，旁路开始发挥作用以通过允许电流流过二极管D3(例如，到达参考电压，例如GND)来减小电压，从而将向后续级输出的信号钳制在二极管D3的阈值电压处或阈值电压附近。以这种方式，后置放大器抗饱和电路430限制其后续级的输入信号的幅值，避免后续级饱和。
作为P-N结二极管的附加或备选，二极管可以利用其他合适的二极管来实现，包括例如齐纳二极管或瞬态电压抑制(TVS)二极管。在这些实施方式中，阈值电压可以类似于齐纳二极管或TVS二极管的击穿电压。
图5是根据本技术的实施例的信号路径抗饱和电路(例如，图4的前置放大器抗饱和电路420)的作用的图示。在图5中，信号502表示实际输入信号，信号504表示前置放大器抗饱和电路420的钳制之后的信号，并且虚线506表示二极管的阈值电压。
b.运算放大器抗饱和电路
返回参考图4，运算放大器抗饱和电路410被定位在运算放大器 402的反馈回路上，并且被配置为在信号变得过大时自动地且自适应地减小运算放大器402的增益，从而避免运算放大器402的饱和。
具体地，在图4所示的示例中，运算放大器抗饱和电路410可以包括二极管D2、第一电阻器R2和第二电阻器R3。二极管D2与第一电阻器R2并联。二极管D2的第一端子连接到运算放大器402的输出端PIN1。二极管D2的第二端子连接到第二电阻器R3的第一端子。
第二电阻器R3的第二端子连接到运算放大器402的反相输入端 PIN4。作为整体，运算放大器抗饱和电路410形成运算放大器402的钳制旁路。当信号小时，二极管D2(以及第一电阻器R2，因为第一电阻器R2与二极管D2并联)的两个端子之间的电压差也小，并且因此二极管D2不导通。反馈回路上的等效电阻处于其最大值(即，第一电阻器 R2加上第二电阻器R3)。然而，当信号变得足够大使得二极管D2的两个端子之间的电压差超过二极管D2的阈值电压时，二极管D2变得导通，从而减小了运算放大器402的反馈回路上的等效电阻。这有效地减小了运算放大器402的增益(或“放大”)。值得注意的是，随着信号幅值的增加，运算放大器的增益成比例地减小。在一些实施例中，减小增益直到达到预定的最小增益。假设二极管D2已经变得完全导通并且在完全导通时其电阻可忽略不计，则该最小增益基本上由电阻器R1与电阻器R3之间的比率确定。
注意，根据针对实际实施方式选择的运算放大器的操作参数，一些运算放大器在低增益配置下可能比其它运算放大器更稳定。在利用这些更稳定的运算放大器的实施例中，可以去除运算放大器抗饱和电路410中的电阻器R3。在图6中示出了这种运算放大器抗饱和电路的示例。
图6是根据本技术的实施例的具有另一运算放大器反馈回路抗饱和电路610的放大器模块600的示意图，该另一运算放大器反馈回路抗饱和电路610包括二极管D2和仅单个电阻器R2。在一些实施例中，放大器模块600可以连接到放大器模块400，以用作放大器模块400的后续放大级。在这些实施例中，放大器模块400和600可以形成多级放大器。
在放大器模块600中，二极管D2与电阻器R2并联，并且二极管D2 和电阻器R2都连接在运算放大器602的输入端PIN4之间。当信号小时，二极管D2的两个端子之间的电压差也小，并且二极管D2保持不导通。反馈回路上的等效电阻处于其最大值(即，电阻器R2)。然而，当信号变得足够大使得二极管D2的两个端子之间的电压差超过二极管D2 的阈值电压时，二极管D2变得导通，从而减小了运算放大器602的反馈回路上的等效电阻(因为二极管D2和电阻器R2并联)。这有效地减小了运算放大器602的增益(或“放大”)。值得注意的是，随着信号幅值的增加，运算放大器的增益成比例地减小。在一些实施例中，减小增益直到输出信号的幅值不超过处于导通状态的二极管D2的最大电压降。
图7是根据本技术的实施例的运算放大器反馈回路抗饱和电路 (例如，图4的运算放大器抗饱和电路410)的作用的图示。如图7所示，信号702是较小的输入信号，并且706是较大的输入信号。信号704是由包含此处公开的运算放大器反馈回路抗饱和电路的放大器模块对信号 702进行放大的信号，并且信号708是由相同的放大器模块实施例对信号706进行放大的信号。
4.比较器的触发阈值的动态调整
回顾一下，比较器模块接收由放大器模块(例如，放大器模块330) 放大的信号，并将其与参考阈值电压(或“触发阈值”)进行比较。向 TDC模块馈送比较器模块的输出，该TDC模块测量来自比较器模块的矩形脉冲信号的定时，并向MCU输出相关的定时信息以便计算。因为比较器模块仅在输入信号大于触发阈值时生成矩形脉冲信号，所以由 TDC模块测量的定时信息取决于对比较器模块的模拟输入信号与比较器模块的触发阈值交叉的确切时间。在此观察到，与触发阈值交叉的这种精确定时受到模拟输入信号的幅值的影响，该模拟输入信号的幅值可能受到多个因素的影响，包括例如目标物体的不同距离、目标物体的不同反射率、环境噪声等。
图8是具有不同幅值的两个模拟脉冲信号802和804及其对比较器模块(例如，比较器模块340)的影响的图示。线806表示比较器模块的触发阈值。脉冲信号802表示幅值较小的反射脉冲信号，并且脉冲信号804表示幅值较大的反射脉冲信号。出于本文中的讨论的目的，假设脉冲信号802和804由相同距离的目标物体反射，并且因此信号802和 804在相同的时间t0时开始。如图8所示，脉冲信号804在时间t1时与触发阈值806交叉，时间t1早于时间t2(即脉冲信号802与触发阈值806交叉的时间)。换句话说，模拟脉冲信号的幅值上的差可能不利地影响定时测量的准确度。因此，优选的是减小时间t0与时间t1之间的差以及时间t0与t2之间的差，这些差可以被视为定时误差。
如图8所示，如果可以降低触发阈值806的电压，则可以相应地减小上述定时误差。然而，放大器模块的输出不仅可能包括模拟脉冲信号而且还可能包括噪声，因此需要将比较器模块的触发阈值设置得高于噪声以避免误触发。由于UAV应用的动态环境，LIDAR***所面临的噪声可能随着周围环境的参数(包括例如环境光强度、温度等)而频繁地改变。传统上，为了避免误触发，将触发阈值设置在用于最差情况场景的人为高水平处，使得即使当LIDAR***面临预定量的最大环境噪声时，这样的噪声量也不会误触发比较器模块。然而，如上所述，提高触发阈值可能非期望地降低LIDAR***的准确度。
因此，在此公开的实施例包括以下机构，该机构用于使MCU例如基于由LIDAR***观察到的噪声来动态地调整比较器的触发阈值以适应应用环境。在一些实施例中，MCU被配置为响应于在给定环境中观察到的噪声量来实时或近实时地调整触发阈值。MCU的许多实施例可以尽可能多地减小触发阈值，同时保持尽可能低的噪声误触发的概率，使得可以在任何给定环境中将LIDAR***的准确度和性能大致地保持一致且令人满意。
图9是根据本技术的实施例的具有可调整参考阈值电压的比较器模块900的示意图。如图9所示，代替(例如，图2A的比较器240中的) 固定水平的触发阈值，比较器模块900可以(例如，在PIN4处)接收可变参考阈值。在一些示例中，可变参考阈值可以由被MCU控制的另一合适的电路(例如，数模转换器(DAC)电路，为简单起见图9中未示出)来间接地提供。在一些备选示例中，可以由MCU直接提供可变参考阈值。
图10是根据本技术的实施例的具有可调整参考阈值电压的另一比较器模块1000的示意图。比较器模块1000包括电阻器网络1010，在图10所示的示例中，该电阻器网络1010包括两个电阻器R1和R2。比较器模块1000的触发阈值的调整可以例如通过MCU向电阻器网络1010 发送数字信号的不同组合来实现，这可以导致PIN4上的作为触发阈值的各种电压水平。注意，触发阈值的调整粒度通常随着电阻器网络1010 中的电阻器的数量而增加，受到MCU能够生成以便单独控制电阻器网络1010中的每个电阻器的信号的数量的制约。
5.光感测模块的动态增益调整
图11是根据本技术的实施例的具有可调整增益的光感测模块 1100的示意图。
如前所述，光感测模块通常包括光电检测器(例如，雪崩光电二极管(APD)装置)，其利用半导体材料的光电效应将反射光转换成模拟电信号。在多个实施例中，APD需要接收至少一定量的电压以确保其具有足够的增益来检测弱光信号。但是，该增益也不能过大，否则 APD可能受到损害。APD的电源电压需要维持在某一范围内。
因此，在此公开的实施例包括以下机构，该机构用于使MCU例如基于由LIDAR***观察到的噪声来动态地调整光感测模块1100中的 APD的增益以适应应用环境。在一些实施例中，MCU被配置为响应于在给定环境中观察到的噪声量来实时或近实时地调整APD的增益。在图11所示的示例中，代替固定的电源电压，MCU可以控制APD的电源电压，以便动态地控制APD的增益。
还应注意，对APD的增益的调整可能影响噪声和脉冲信号两者的幅值。当APD的增益增加时，脉冲信号和噪声两者的幅值也可能增加；相反，当增益减小时，脉冲信号和噪声两者的幅值也可能减小。因此， MCU的一些实施例可以利用一些启发法来选择性地控制APD增益与比较器的触发阈值，以便优化LIDAR的准确度和性能。例如，在一些实施方式中，当噪声水平超过比较器的触发阈值时，MCU可以减小 APD增益(作为调整比较器的阈值的附加方案或备选方案)以减小噪声和脉冲信号两者的幅值，从而能够将比较器的触发阈值设置在较低水平并且不使噪声误触发比较器。后面将更详细地讨论这些启发法和考虑因素。
6.APD增益和比较器触发阈值的基于噪声类型的调整
如上所述，为了维持对检测到的脉冲信号的定时测量的准确度，优选的是消除或至少降低噪声误触发比较器模块的可能性。因此，所公开的MCU可以基于MCU观察到的噪声来动态地控制APD增益和/或比较器的触发阈值。为了便于讨论，本文中的示例参考APD增益作为用于控制光电检测器装置的增益的具体示例；然而，应该理解，所介绍的技术同样适用于动态地控制光感测模块中的合适的光电检测器的任何类型的增益。
存在可能由比较器模块接收的至少两种类型的噪声：来自环境光的噪声和来自LIDAR***中的电子器件的噪声。电子噪声通常更加一致，即，保持在不会随着LIDAR***的周围环境而大幅度波动的水平。影响电子噪声的示例因素可以包括LIDAR电路中的电路增益、温度或其他操作参数。另一方面，环境光噪声可以随着周围环境极大地变化：环境越亮，环境光噪声变得越高。影响环境光噪声的示例因素可以包括环境光强度、发射光的类型和发射光的波长。
LIDAR***观察到的总噪声至少是环境光噪声和电子噪声的总和。因为环境光噪声与APD增益的三分之二次幂成正比(即，环境光噪声∝增益2/3)，所以减小APD增益可以减少总噪声中的环境光噪声部分。也就是说，当环境光被确定为是噪声的主要来源(例如，超过50％) 时，在此观察到减小APD增益可以增加LIDAR***的信噪比(SNR)，因为这可以降低环境光噪声的水平，从而避免这种噪声误触发比较器模块。另外，如前所述，提高比较器模块的触发阈值可以类似地避免由来自放大器模块的噪声造成的误触发。
因此，根据一个或多个实施例，MCU可以确定环境光是否是噪声的主要来源。当MCU确定环境光是噪声的主要来源时，MCU可以选择执行APD增益的减小和/或优先进行APD增益的减小，以便减少来自噪声的可能干扰(例如，误触发)。此外，当MCU确定环境光不是噪声的主要来源时(例如，处于与电子噪声类似的水平)，MCU可以选择执行比较器模块的触发阈值的增加和/或优先进行比较器模块的触发阈值的增加，以便减少来自噪声的可能干扰(例如，误触发)。
在一些实施例中，LIDAR***可以包括用于检测环境光的强度的环境光传感器，并且MCU可以相应地对APD增益和/或比较器触发阈值进行动态调整。
此外，MCU可以被配置为通过以下技术中的一种或多种来确定噪声是否导致误触发：
(1)MCU可以基于比较器的输出的波形来确定噪声是否误触发比较器。当噪声大到足以导致误触发时，波形可能包括随机尖峰。当波形主要是随机尖峰(例如，超过预定百分比)并且没有规律性时， MCU可以确定噪声的主来源是环境光。
(2)MCU可以采用均方根(RMS)检测器(为简单起见未在附图中示出)来测量噪声水平。RMS检测器可以获取某一频率范围内的噪声的功率信息。
(3)在具有多比较器配置的实施例中(后面关于图21至图22更详细地讨论)，如果具有较低阈值的比较器的测量时间与具有较高阈值的比较器的测量时间之间的差是随机的和/或超过预定范围，则MCU 可以确定噪声水平至少已经超过较低阈值。
7.脉冲信号的双边沿定时测量
图12是根据本技术的实施例的针对脉冲信号执行双边沿定时测量的图示。传统上，仅针对脉冲的前(例如，上升)边沿的定时测量脉冲信号的定时信息。这是因为LIDAR***的工作原理是测量飞行时间(TOF)，其由反射脉冲何时返回到LIDAR***的光传感器确定。然而，如先前关于图8所讨论的，反射脉冲信号的幅值可能受到多个因素的影响，包括例如目标物体的不同距离和目标物体的不同反射率。此外，模拟脉冲信号的幅值上的差可能不利地影响定时测量的准确度。如图12所示，时间t0与t1之间的差以及时间t0与t2之间的差表示前沿的实际定时与测量定时之间的定时误差。
因此，所公开的LIDAR***的一个或多个实施例可以执行脉冲信号的双边沿定时测量，并且基于该测量执行定时误差补偿。在此出于讨论的目的，双边沿意味着脉冲信号的前沿和后沿。本文中关于时间使用术语“前”和“后”，其中较早的时间是“前”。在图12的示例中，信号1204的前沿是上升沿，并且其后沿是下降沿。本文中关于振幅使用术语“上升”和“下降”，其中正振幅是“上升”。信号1204的前沿在时间t1时与触发阈值1206交叉，并且信号1204的下降沿在时间t4时与触发阈值1206交叉。类似地，信号1202的前沿在时间t2时与触发阈值1206交叉，并且信号1202的下降沿在时间t3时与触发阈值1206交叉。
如图12所示，信号1204的幅值大于信号1202的幅值，因此时间t1 早于时间t2。尽管如此，因为信号1204的幅值大于信号1202的幅值这一相同原因，时间t4晚于时间t3。换句话说，当信号较大时(例如，信号1204)，其前沿的测量定时(例如，t1)可能比较小信号的前沿的测量定时(例如，t2)更接近实际定时(例如，t0)。基于此观察，在 LIDAR***执行双边沿定时测量之后，MCU可以使用后沿的定时信息结合前沿的定时信息来估计脉冲的幅值以补偿定时误差，和/或估计目标物体的表面性质(例如，反射率)。
作为示例，为了估计脉冲的幅值(或能量信息)，MCU可以获取脉冲信号的前沿和后沿两者的定时差，并且基于该差执行估计。该时间差(或持续时间)也表示测量脉冲的宽度。如果脉冲信号的测量定时差较大(例如，时间t1至时间t4)，则MCU估计信号具有较大的幅值(例如，信号1204)。同样，如果脉冲信号的测量定时差较小(例如，时间t2至时间t3)，则MCU估计信号具有较小的幅值(例如，信号1202)。根据实施例，MCU可以基于脉冲信号的双边沿的测量定时差通过以下操作来估计幅值：比较和交叉参考测量定时差与具有(例如，在受控环境中测量的)现有数据的数据库或查找表，基于建立的模型进行计算，使用预定的幅值估计公式，或用于估计幅值的其他合适的方式。
此外，MCU可以使用从双边沿定时测量获取的定时信息来补偿定时误差。因为MCU可以估计脉冲信号的幅值，所以它还可以基于脉冲信号的估计幅值来估计前沿的实际定时与测量定时之间的定时误差 (例如，时间t0至时间t1，或时间t0至时间t2)。当脉冲信号的幅值较大时，MCU要补偿的定时误差(例如，时间t0至时间t1)可能较小。相反，当脉冲信号的幅值较小时，MCU要补偿的定时误差(例如，时间t0至时间t2)可能较大。MCU可以基于脉冲信号的估计幅值通过以下操作来估计定时误差：比较和交叉参考估计幅值与具有(例如，在受控环境中测量的)现有数据的数据库或查找表，基于建立的模型进行计算，使用预定的定时误差估计公式，或用于估计定时误差的其他合适的方式。在一个或多个实施例中，MCU补偿的定时误差的量与脉冲能量信息中指示的能量的量成反比。
另外，MCU可以使用从双边沿定时测量获取的定时信息来估计目标物体的表面性质(例如，反射率)。具体地，例如，在补偿定时误差之后，如果MCU确定两个信号已经从相同距离的两个物体反射，而一个信号具有比另一信号更小的幅值，则MCU可以确定产生更弱的反射信号的物体的表面具有比另一物体更低的反射率(例如，更暗)。类似于MCU估计幅值和/或定时误差的方式，MCU可以基于双边沿定时测量通过以下操作来估计目标物体的表面性质：比较和交叉参考具有(例如，在受控环境中测量的)现有数据的数据库或查找表，基于建立的模型进行计算，使用预定的估计公式，或用于估计物体表面性质信息的其他合适的方式。
8.脉冲信号能量信息获取
所公开的LIDAR***中的能量获取模块(例如，图3的模块334) 可以实现用于获取脉冲信号的能量信息的多种技术。信号的能量可以用信号的波形的面积来表示。也就是说，对于脉冲信号，能量信息包括脉冲的振幅和脉冲的宽度。除了其他目的之外，MCU还可以利用关于脉冲的这些条信息来改进LIDAR***的性能，包括例如执行定时误差补偿和/或估计物体的表面性质。根据所公开的实施例中的一个或多个，用于获取脉冲信号能量信息的示例技术可以包括：基于双边沿定时测量(如上所述)来导出能量信息，保持脉冲信号的峰值，和/或执行用于计算脉冲信号中的能量信息的积分。
a.峰值保持电路
图13是根据本技术的实施例的峰值保持电路1300的示意图，并且图16是脉冲的测量定时信息与脉冲的幅值之间的关系的图示。如利用图8和图12所讨论的，模拟脉冲信号的幅值上的差可能不利地影响定时测量的准确度。脉冲的测量前沿与实际前沿之间的不同定时可能是定时误差的来源。因为脉冲的幅值也可以通过信号的峰值来测量，所以能量获取模块可以包括峰值保持电路1300以获取脉冲信号(例如，信号1604或信号1602)的峰值信息(例如，峰值1614或峰值1612)。
如图13所示，峰值保持电路1300包括峰值保持核1310，其包括二极管D2、电阻器R2和电容器C1。峰值保持电路1300还包括第一运算放大器1302和第二运算放大器1304。在一些实施例中，第一运算放大器1302接收信号并向峰值保持核1310传递该信号，峰值保持核1310进而向第二运算放大器1304传递该信号。
具体地，在一些实施例中，第一运算放大器1302在其非反相输入端PIN3处接收信号，并且第一运算放大器1302的输出端PIN1连接到反相输入端PIN4以形成第一运算放大器1302的反馈回路。第一运算放大器1302的输出端连接到峰值保持核1310。在峰值保持核1310处，二极管D2的一个端子用于接收待测量信号，并且二极管D2的另一端子与电阻器R2的一个端子串联。电阻器R2的另一端子(在节点1312处)与电容器C1连接，电容器C1进而连接到参考电压(例如，GND或预定电压)。电阻器R2的另一端子(在节点1312处)也用作峰值保持核1310的输出。第二运算放大器1304在非反相输入端PIN3处接收从峰值保持核1310 输出的信号。第二运算放大器1304的反馈回路还包括二极管D1。另外，第二运算放大器1304的反相输入端连接到电阻器R1，电阻器R1进而连接到另一参考电压(例如，GND或预定电压)。
注意，如图13所示的峰值保持电路1300的实施例被配置为测量并保持具有负振幅的脉冲信号的峰值信息。例如，通过反转二极管D1和D2，可以将峰值保持电路1300重新配置用于测量具有正振幅的脉冲信号的峰值信息。
所公开的峰值保持电路1300在其捕获非常短的脉冲信号(例如，几十纳秒到几纳秒)的峰值信息的能力方面并且在其连续地捕获峰值信息而无需相对长的恢复时间(例如，20到30纳秒)的能力方面优于传统的峰值保持电路。更具体地，在许多传统电路中，二极管D2被包括在第一运算放大器1302的反馈回路中(例如，在放大器1302的输出端与节点1313之间)。在这些电路中，运算放大器1302易于饱和，因为在输入信号已经达到峰值并且开始返回到基线电压(例如，零伏特) 之后，二极管D2可能开始阻塞反馈回路，这可能导致运算放大器1302 饱和。如上所述，当运算放大器饱和时，运算放大器将花费相对长的时间来恢复，这可能导致LIDAR***错过后续的脉冲信号。通过将二极管D2移出运算放大器1302的反馈回路，可以减轻或解决运算放大器 1302的饱和问题。但是，这样做可能在峰值信息上产生电压偏移。该偏移可以由运算放大器1304与二极管D1一起补偿。
在一些变型中，根据LIDAR***的整个电路的设计，可以省略第一运算放大器1302。附加地或备选地，例如，当该设计容忍峰值信息的较低的准确度并且如果峰值保持核1310的输出端之后的电路可以具有高阻抗状态，则可以省略第二运算放大器1304和/或电阻器R2。而且，各种实施例可以包括用于电容器C1的可控开关(例如，晶体管)，以在MCU收集峰值信息之后例如经由模数转换器(ADC)释放电荷。
注意，在至少一个实施例中，可以将峰值保持电路1300的参考电压设置为与***的稳态电压(即，当没有输入信号要测量时)相同的水平。在要保持负振幅信号的峰值的一些实施例中，参考信号可以略大于***的稳态电压，以减少由来自二极管D2的电压降引起的测量死区。类似地，在要保持正振幅信号的峰值的一些实施例中，参考信号可以略小于***的稳态电压，以减小由来自二极管D2的电压降引起的测量死区。
b.积分器电路
图14是根据本技术的实施例的积分器电路1400的示意图，并且图17是脉冲的测量定时信息与脉冲的能量之间的关系的图示。
积分器电路1400包括运算放大器1404、运算放大器1404的反相输入端PIN4上的电阻器R1、以及运算放大器1404的反馈回路上的电容器 C1。运算放大器1404的非反相输入端PIN3连接到参考电压。根据一个或多个实施例，该参考电压与脉冲信号的基线电压(例如，线1706) 处于相同的水平。当存在脉冲信号(例如，信号1702或信号1704)时，积分器电路1400的反馈回路上的电容器C1开始充电，并且运算放大器 1404的输出端上的最终结果成为脉冲的面积(例如，信号1702的面积1 或信号1704的面积2)。
利用积分器电路1400，ADC(MCU通过其访问面积信息)不需要是高速ADC(例如，具有超过一个GSPS的采样速率)。
c.脉冲扩展电路
图15是根据本技术的实施例的脉冲扩展电路1500的示意图，并且图18是脉冲扩展之前和之后的脉冲信号的图示。
如图18所示，如果脉冲信号1802可以扩展到信号1803，即，成为具有更宽的脉冲宽度的脉冲信号，则可以利用具有较低速度的ADC来收集关于脉冲信号的信息。因此，脉冲扩展电路1500可以在其反馈回路上包括并联连接在一起的电阻器R2和电容器C1，用于扩展给定脉冲的波形。电阻器R2和电容器C1的组合可以使运算放大器1504能够对输入脉冲信号执行放大和脉冲扩展两者。
9.发光模块的保护
观察到，当LIDAR***中的光发射器(例如，图3的发射器312) 被驱动接通或被MCU切断时，可能在光发射器所在的位置处出现高电压脉冲或电压尖峰，这可能损坏光发射器。
图19是根据本技术的实施例的发光模块中的发射器保护电路 1900的示意图。如图19所示，发射器保护电路1900包括合适的二极管 D2(例如，齐纳二极管或TVS二极管)。二极管D2可以与控制开关电路并联，控制开关电路用于由MCU控制(例如，接通或切断)光发射器1910。控制开关电路可以是基于晶体管的。在一个或多个实施例中，保护电路1900可以被定位在光发射器1910与地电压之间。当光发射器1910经历(例如，来自电压尖峰的)过高的电压时，二极管D2导通并减小电压，从而保护光发射器1910。
图20是根据本技术的实施例的发光模块中的另一发射器保护电路2000的示意图。保护电路2000包括合适的二极管D5并且与光发射器 2010并联。用于由MCU控制(例如，接通或切断)光发射器2010的控制开关电路被定位在光发射器2010与地之间。控制开关电路可以是基于晶体管的。当光发射器2010经历(例如，来自电压尖峰的)过高的电压时，二极管D5导通并减小电压，从而保护光发射器2010。
10.比较器模块的多比较器配置
图21是根据本技术的实施例的具有多比较器配置(例如，用于对来自脉冲信号的附加信息进行采样)的比较器模块2100的示意图，并且图22是在图21的比较器模块2100的情况下脉冲信号2200上的多个采样点的示图。
如先前所讨论的，LIDAR***的所公开实施例可以包括比较器模块，该比较器模块具有多比较器配置以对单个光脉冲获取附加脉冲信息(例如，多点定时测量)。具体地，在一个或多个实施例中，具有多比较器配置的比较器模块包括两个或更多个比较器，每个比较器耦接到相同的输入端以对相同的光脉冲执行定时测量，但是每个比较器可以具有不同的触发阈值。
在图21所示的示例中，比较器模块2100包括总共四个比较器 2140(1)-2140(4)。每个比较器连接到其各自的单独的TDC 2150(1)-2150(4)。例如，比较器2140(1)连接到单独的TDC 2150(1)，比较器2140(2)连接到单独的TDC 2150(2)，以此类推。另外，每个比较器接收不同的触发阈值。如图所示，比较器2140(1)接收其单独的触发阈值Vf01，比较器2140(2)接收Vf02，比较器2140(3)接收Vf03，比较器2140(4)接收Vf04。利用双边沿定时测量(如上所述)，比较器模块 2100和相关联的TDC模块可以从单个脉冲信号2200上的八个采样点中获取八条定时信息，例如图22中所示的时间t1至t8。
与上面讨论的单个触发阈值比较器模块相比，具有多比较器配置的比较器模块能够获取关于脉冲信号的更多信息，从而在LIDAR***中实现更准确的定时。具体地，多点定时测量的优势可以包括：(a) 获取关于脉冲信号的更准确的定时信息；以及(b)获取关于脉冲信号的更准确的能量信息。
利用更多测量点，可以被MCU用来获取更准确的脉冲定时信息的技术包括，例如，(1)对所有获取的定时信息求平均；(2)基于建立的脉冲信号模型和来自多点测量的数据重建脉冲信号，并估计重建的脉冲信号的前沿(或另一合适的点)的实际定时；和/或(3)利用来自多点测量的数据(例如，t1至t8)和先前从已知环境(或受控环境) 中收集的数据来执行回归分析并导出脉冲定时信息。
类似地，利用更多测量点，可以被MCU用来获取更准确的脉冲能量信息的技术包括，例如，(1)基于对所有获取的脉冲宽度信息(例如，t1至t8、t2至t7、t3至t3以及t4至t5)求和或求平均来估计能量；(2) 基于建立的脉冲信号模型和来自多点测量的数据重建脉冲信号，并执行积分来计算重建的脉冲信号的面积从而估计能量；和/或(3)利用来自多点测量的数据(例如，t1至t8)和先前从已知环境(或受控环境)收集的数据来执行回归分析并导出脉冲能量信息。
注意，在一些变型中，例如为了增加定时测量的准确度，可以将选定数量的比较器配置为具有相同的触发阈值。在一些实施例中，可以对(例如，时间t1所处的)点(spot)执行多次测量，以针对相同点产生多个值。然后，根据实施例，MCU可以对针对相同点的这些多个值求平均。在一些实施方式中，MCU可以选择一个值，当与(例如，时间t2至时间t8所处的)其他点的测量结果相比较时，该值更好地表示所讨论的点的定时。在又一变型中，MCU可以首先选择一个或多个值，然后对它们求平均。作为求平均和/或选择值的附加方案或备选方案，MCU可以实现用于增加测量准确度或用于其他合适的目的的其他已知的统计方法。
11.总结
从上文中可以理解，为了说明的目的，本文已经描述了本技术的具体实施例，但是可以在不偏离本技术的情况下做出各种修改。在代表性实施例中，LIDAR装置可以具有除本文中具体示出和描述的配置以外的配置，包括其他半导体结构。本文中描述的各种LIDAR模块和电路在其他实施例中可以具有其他配置，这些配置也产生本文中描述的期望特性(例如，抗饱和)。
本文中描述的各种LIDAR模块和电路可以部署在以下之一中：飞行器、空中平台、自主载运工具、船只或机器人。
在特定实施例的上下文中描述的本技术的某些方面可以在其他实施例中被组合或排除。此外，尽管已经在本技术的某些实施例的上下文中描述了与这些实施例相关联的优点，但是其他实施例也可以表现出这样的优点，并且并非所有实施例都需要显示出这些优点才能落入本技术的范围内。相应地，本公开和相关技术可以涵盖未在本文中明确示出或描述的其他实施例。例如，虽然以给定的顺序呈现了过程或框，但是备选实施例可以以不同的顺序来执行具有多个步骤的例程或使用具有多个框的***，并且一些过程或框可以被删除、移动、添加、细分、组合、和/或修改，以提供备选方案或子组合。这些过程或框中的每一个可以以各种不同的方式来实现。而且，虽然多个过程或框有时被示为串行地执行，但是这些过程或框可以替代地并行执行，或者可以在不同的时间执行。此外，本文中提到的任何具体数字仅是示例：备选实施方式可以采用不同的值或范围。
就本文并入的任何材料与本公开相冲突的方面而言，以本公开为准。
本专利文件的公开的至少一部分包含受到版权保护的材料。版权所有者不反对任何人对专利文档或专利公开的传真复制(因为它出现在专利和商标局的专利文件或记录中)，但在其他方面保留所有版权。

Claims (61)

1.一种光检测和测距***，其特征在于，包括：
发光模块，耦接到控制器，用于响应于来自所述控制器的控制而发射脉冲光信号；
光感测模块，用于检测脉冲光信号并生成对应电子信号；以及
放大器模块，耦接到所述光感测模块，用于处理所述对应电子信号，其中，所述放大器模块包括(1)具有输入端和输出端的运算放大器，以及(2)耦接到所述运算放大器的抗饱和电路，所述抗饱和电路用于基于所述对应电子信号的幅值来选择性地减小所述运算放大器的增益，或用于将所述运算放大器接收的所述对应电子信号的幅值限制到预定范围，或用于这两者。
2.根据权利要求1所述的光检测和测距***，其中，所述抗饱和电路包括运算放大器抗饱和电路，所述运算放大器抗饱和电路被定位在所述运算放大器的反馈回路上，用于减小所述运算放大器的增益。
3.根据权利要求2所述的光检测和测距***，其中，随着所述对应电子信号的幅值的增加，通过所述运算放大器抗饱和电路来成比例地减小所述运算放大器的增益。
4.根据权利要求2所述的光检测和测距***，其中，所述运算放大器抗饱和电路包括与电阻器并联的二极管。
5.根据权利要求2所述的光检测和测距***，其中，所述运算放大器抗饱和电路包括与第一电阻器并联的二极管，所述二极管的第一端子连接到所述运算放大器的输出端，所述二极管的第二端子连接到第二电阻器的第一端子，并且所述第二电阻器的第二端子连接到所述运算放大器的输入端。
6.根据权利要求1所述的光检测和测距***，其中，所述抗饱和电路包括前置放大器抗饱和电路，所述前置放大器抗饱和电路被定位在所述放大器模块的信号输入端与所述运算放大器的输入端之间，用于限制所述运算放大器接收的所述对应电子信号的幅值。
7.根据权利要求6所述的光检测和测距***，其中，所述前置放大器抗饱和电路包括二极管，所述二极管连接在所述放大器模块的信号输入端与参考电压之间。
8.根据权利要求7所述的光检测和测距***，其中，所述前置放大器抗饱和电路还包括输入电阻器，所述输入电阻器连接在所述放大器模块的信号输入端与所述运算放大器的输入端之间。
9.根据权利要求1所述的光检测和测距***，其中，所述抗饱和电路还包括后置放大器抗饱和电路，所述后置放大器抗饱和电路被定位在所述放大器模块的信号输出端与所述运算放大器的输出端之间，用于限制所述运算放大器输出的放大电子信号的幅值。
10.根据权利要求9所述的光检测和测距***，其中，所述后置放大器抗饱和电路包括二极管，所述二极管连接在所述放大器模块的信号输出端与参考电压之间。
11.根据权利要求10所述的光检测和测距***，其中，所述后置放大器抗饱和电路还包括输出电阻器，所述输出电阻器连接在所述放大器模块的信号输出端与所述运算放大器的输出端之间。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的光检测和测距***，还包括：
脉冲信息获取子***，用于基于所述对应电子信号来提取脉冲信息。
13.根据权利要求12所述的光检测和测距***，还包括：
控制器，具有用于接收所述脉冲信息的输入端，并且被配置为基于所述脉冲信息来补偿定时误差。
14.根据权利要求13所述的光检测和测距***，其中，所述脉冲信息包括脉冲能量信息，并且其中，所述控制器被配置为补偿的所述定时误差的量与所述脉冲能量信息中指示的能量的量成反比。
15.根据权利要求12所述的光检测和测距***，其中，所述脉冲信息获取子***用于直接基于来自所述放大器模块的输出来生成所述脉冲能量信息。
16.根据权利要求12所述的光检测和测距***，其中，所述脉冲信息获取子***包括积分器电路，所述积分器电路用于通过执行积分以计算给定脉冲的面积，来计算所述给定脉冲的脉冲能量信息。
17.根据权利要求16所述的光检测和测距***，其中，所述积分器电路包括运算放大器、所述运算放大器的反相输入端上的电阻器，以及所述运算放大器的反馈回来上的电容器；
所述运算放大器的非反相输入端连接到参考电压，所述参考电压与所述脉冲信息的基线电压处于相同的水平。
18.根据权利要求12所述的光检测和测距***，其中，所述脉冲信息获取子***包括峰值保持电路，所述峰值保持电路用于保留给定脉冲的峰值信息。
19.根据权利要求18所述的光检测和测距***，其中，所述峰值保持电路包括二极管，所述二极管具有第一端子和第二端子，所述二极管的第一端子被布置为接收待测量的信号，并且所述二极管的第二端子连接到电容器。
20.根据权利要求19所述的光检测和测距***，其中，所述二极管的第二端子通过电阻器连接到所述电容器的一个端子；
所述电容器的另一个端子连接到参考电压。
21.根据权利要求19所述的光检测和测距***，其中，所述峰值保持电路包括峰值保持核，所述二极管为所述峰值保持核中的一个器件；
所述峰值保持电路还包括第一运算放大器和第二运算放大器，所述第一运算放大器接收信号并向所述峰值保持核传递所述信号，所述峰值保持核向所述第二运算放大器传递所述信号。
22.根据权利要求12所述的光检测和测距***，其中，所述脉冲信息获取子***包括脉冲扩展电路，所述脉冲扩展电路用于扩展给定脉冲的波形。
23.根据权利要求22所述的光检测和测距***，其中，所述脉冲扩展电路包括运算放大器，以及在所述运算放大器的反馈回路上的并联的电阻器和电容器。
24.根据权利要求13所述的光检测和测距***，其中，所述控制器还被配置为基于由所述控制器观察到的噪声的量和/或类型来动态地控制所述光检测和测距***的一个或多个操作参数。
25.根据权利要求24所述的光检测和测距***，其中，所述一个或多个操作参数包括比较器模块的触发阈值。
26.根据权利要求25所述的光检测和测距***，其中，所述控制器被配置为在所述噪声的量超过所述比较器模块的触发阈值时增大所述比较器模块的触发阈值。
27.根据权利要求24所述的光检测和测距***，其中，所述一个或多个操作参数包括所述光感测模块的增益。
28.根据权利要求27所述的光检测和测距***，其中，所述控制器被配置为在所述噪声的量超过比较器模块的触发阈值时减小所述光感测模块的增益。
29.根据权利要求13所述的光检测和测距***，其中，所述控制器被配置为确定环境光是否是由所述控制器观察到的噪声的主要来源。
30.根据权利要求29所述的***，其中，所述控制器被配置为在所述环境光被确定为是由所述控制器观察到的噪声的主要来源时，优先减小所述光感测模块的增益以减小来自所述噪声的可能干扰。
31.根据权利要求29所述的光检测和测距***，其中，所述控制器被配置为在所述环境光被确定为不是由所述控制器观察到的噪声的主要来源时，优先增大比较器模块的触发阈值以减小来自所述噪声的可能干扰。
32.根据权利要求12所述的光检测和测距***，其中，对脉冲信息的所述提取包括执行对脉冲的双边沿定时测量。
33.根据权利要求32所述的光检测和测距***，其中，还包括比较器模块，所述比较器模块设置有多个不同的触发阈值，用于对所述放大器模块输出的信号的上升沿和下降沿分别与所述多个不同的触发阈值进行比较。
34.根据权利要求33所述的光检测和测距***，其中，所述控制器被配置为基于所述双边沿定时测量来补偿定时误差。
35.根据权利要求33所述的光检测和测距***，其中，所述控制器被配置为基于所述双边沿定时测量来估计脉冲能量信息。
36.根据权利要求33所述的光检测和测距***，其中，所述控制器基于所述双边沿定时测量来估计由所述***检测到的物体的表面性质。
37.根据权利要求1所述的光检测和测距***，还包括：
保护电路，保护所述发光模块免受电压尖峰的影响。
38.根据权利要求37所述的光检测和测距***，其中，所述保护电路被定位在发光器件与地之间，所述保护电路包括与用于控制所述发光器件的控制开关并联的二极管。
39.根据权利要求37所述的光检测和测距***，其中，所述保护电路包括二极管，并且所述保护电路与发光器件并联，并且其中，用于控制所述发光器件的控制开关被定位在所述发光器件与地之间。
40.根据权利要求1所述的光检测和测距***，还包括：
后续放大器模块，耦接到所述放大器模块以形成多级放大器。
41.根据权利要求1所述的光检测和测距***，其中，所述***不包括具有超过每秒一千兆采样的采样速率的模数转换器。
42.根据权利要求12所述的光检测和测距***，所述脉冲信息获取子***包括比较器模块，所述比较器模块包括第一比较器和第二比较器；
所述第二比较器耦接到与所述比较器模块中的第一比较器相同的输入端，其中，所述第二比较器被配置有与所述第一比较器不同的触发阈值电压。
43.根据权利要求42所述的光检测和测距***，其中，每个比较器都连接到单独的时间数字转换器模块。
44.根据权利要求1所述的光检测和测距***，其中，所述光检测和测距***是激光雷达。
45.根据权利要求1所述的光检测和测距***，其中，所述光检测和测距***部署在以下项之一中：飞行器、空中平台、自主载运工具、船只或机器人。
46.一种无人载运工具，其特征在于，包括：
载运工具底盘；
根据权利要求1所述的光检测和测距***；
控制器，被配置为响应于来自所述光检测和测距***的读数而操纵所述载运工具；以及
多个机构，由所述载运工具底盘承载并且被定位成响应于来自所述控制器的输入而操纵所述载运工具。
47.一种光检测和测距***，其特征在于，包括：
光感测模块，用于检测脉冲光信号并生成对应电子信号；
放大器模块，耦接到所述光感测模块，用于处理所述对应电子信号；
脉冲信息获取子***，用于基于所述对应电子信号来提取脉冲信息；以及
控制器，具有用于接收所述脉冲信息的输入端，并且被配置为基于所述脉冲信息来补偿定时误差。
48.根据权利要求47所述的光检测和测距***，其中，所述脉冲信息包括脉冲能量信息。
49.根据权利要求48所述的光检测和测距***，其中，所述控制器被配置为补偿的所述定时误差的量与所述脉冲能量信息中指示的能量的量成反比。
50.根据权利要求47所述的光检测和测距***，其中，对脉冲信息的所述提取包括执行对脉冲的双边沿定时测量。
51.根据权利要求50所述的光检测和测距***，其中，所述控制器被配置为基于所述双边沿定时测量来补偿定时误差。
52.根据权利要求50所述的光检测和测距***，其中，所述控制器被配置为基于所述双边沿定时测量来估计脉冲能量信息。
53.根据权利要求50所述的光检测和测距***，其中，所述控制器基于所述双边沿定时测量来估计由所述***检测到的物体的表面性质。
54.一种光检测和测距***，其特征在于，包括：
光感测模块，用于检测脉冲光信号并生成对应电子信号；以及
放大器模块，耦接到所述光感测模块，用于处理所述对应电子信号，
脉冲信息获取子***，用于基于所述对应电子信号来提取脉冲信息；以及
具有输入端的控制器，用于基于由所述控制器观察到的噪声的量和/或类型来动态地控制所述光检测和测距***的一个或多个操作参数。
55.根据权利要求54所述的光检测和测距***，其中，所述一个或多个操作参数包括比较器模块的触发阈值。
56.根据权利要求55所述的光检测和测距***，其中，所述控制器被配置为在所述噪声的量超过所述比较器模块的触发阈值时增大所述比较器模块的触发阈值。
57.根据权利要求54所述的光检测和测距***，其中，所述一个或多个操作参数包括所述光感测模块的增益。
58.根据权利要求57所述的光检测和测距***，其中，所述控制器被配置为在所述噪声的量超过比较器模块的触发阈值时减小所述光感测模块的增益。
59.根据权利要求54所述的光检测和测距***，其中，所述控制器被配置为确定环境光是否是由所述控制器观察到的噪声的主要来源。
60.根据权利要求59所述的光检测和测距***，其中，所述控制器被配置为在所述环境光被确定为是由所述控制器观察到的噪声的主要来源时，优先减小所述光感测模块的增益以减小来自所述噪声的可能干扰。
61.根据权利要求59所述的光检测和测距***，其中，所述控制器被配置为在所述环境光被确定为不是由所述控制器观察到的噪声的主要来源时，优先增大比较器模块的触发阈值以减小来自所述噪声的可能干扰。
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