CN219456504U - 激光接收模块和激光雷达 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种激光接收模块和激光雷达，其中，激光接收模块包括光电探测电路、信号转换电路、减法器电路、信号处理电路和数模转换电路，信号处理电路在测距过程中，通过数模转换电路输出第二电压信号至减法器电路，与电压信号进行减法处理，减法器电路最终输出测距光信号对应的第一电压信号，并由信号处理电路进行距离信息的确认，通过采用减法器电路，实现对模拟电压信号进行减法运算，使能够剔除杂散光信号，且没有额外的干扰引入，提高了激光雷达的近距离测距能力和测距精准度。

Description

激光接收模块和激光雷达

技术领域

本申请属于激光雷达技术领域，尤其涉及一种激光接收模块和激光雷达。

背景技术

激光雷达测距***越来越多地应用于无人驾驶等应用场景。

激光雷达根据激光发射和激光接收的时间差确定距离信息，但是，在实际的使用中，由于光学设计限制，出射光可能经过镜筒内壁或者镜面杂质直接反射到激光接收模块，反射的回波信号和有效的激光回波信号形成一个虚拟的回波信号，导致激光雷达的近距离盲区距离增加。

目前，对杂散信号的剔除通常采用偏压上下拉形式，使光电探测器在杂散信号输入时，处于非击穿状态，并以此抑制杂散光，但是这样的方法不能精准的剔除杂散光，而且会引入额外的上下拉干扰信号，在波形上原有的杂散光位置依然会有一个干扰信号，影响测距精准度。

实用新型内容

本申请的目的在于提供一种激光接收模块，旨在解决传统的消除杂散光的方法存在的测距精准度低的问题。

本申请实施例的第一方面提出了一种激光接收模块，包括：

光电探测电路，用于接收反射回的激光回波信号并转换为电流信号，所述激光回波信号包括由测距光路反馈的测距光信号和由杂散光路反馈的杂散光信号；

信号转换电路，与所述光电探测电路连接，所述信号转换电路，用于将所述电流信号转换为电压信号，所述电压信号包括测距光信号对应的第一电压信号和杂散光信号对应的第二电压信号；

减法器电路，与所述信号转换电路连接，所述减法器电路，用于将所述电压信号与第二电压信号进行减法处理，并输出所述第一电压信号；

信号处理电路，与所述减法器电路连接，用于接收所述第一电压信号并确定距离信息，以及输出数字电压信号；

数模转换电路，分别与所述信号处理电路和所述减法器电路连接，用于将所述数字电压信号转换为所述第二电压信号，并输出至所述减法器电路。

可选地，所述光电探测电路包括光电探测器、第一电阻和第二电阻；

所述第一电阻的第一端与正电源端连接，所述第一电阻的第二端与所述光电探测器的第一端连接并构成所述光电探测电路的信号输出端，所述光电探测器的第二端与所述第二电阻的第一端连接，所述第二电阻的第二端与负电源端连接。

可选地，所述光电探测器为硅光电倍增管。

可选地，所述信号转换电路包括第一电容和第三电阻；

所述第一电容的第一端与所述光电探测电路的信号输出端连接，所述第一电容的第二端与所述第三电阻的第一端连接并构成所述信号转换电路的信号输出端，所述第三电阻的第二端接地。

可选地，所述减法器电路包括模拟减法器；

所述模拟减法器的信号输入端分别与所述信号转换电路和所述数模转换电路连接，所述模拟减法器的信号输出端构成所述减法器电路的信号输出端。

可选地，所述数模转换电路包括数模转换器和第四电阻；

所述数模转换器的输入端构成所述数模转换电路的信号输入端，所述数模转换器的输出端与所述第四电阻的第一端连接，所述第四电阻的第二端构成所述数模转换器的信号输出端。

可选地，所述信号处理电路包括第二电容、跨阻放大器、模数转换器、第三电容和处理器；

所述第二电容的第一端构成所述信号处理电路的信号输入端，所述第二电容的第二端与所述跨阻放大器的输入端连接，所述跨阻放大器的输出端与所述第三电容的第一端连接，所述第三电容的第二端与所述模数转换器的输入端连接，所述模数转换器的输出端与所述处理器的信号输入端连接，所述处理器的信号输出端与所述数模转换电路的信号输入端连接。

本申请实施例的第二方面提出了一种激光雷达，包括激光发射模块、控制器和如上所述的激光接收模块，所述控制器分别与所述激光发射模块和所述激光接收模块连接；

所述控制器，用于输出驱动信号至所述激光发射模块，以驱动所述激光发射模块发射激光信号。

可选地，所述激光发射模块包括：

激光发射组件，所述激光发射组件用于受电发射所述激光信号；

激光驱动电路，与所述激光发射组件连接，用于根据所述驱动信号触发输出驱动电源至所述激光发射组件。

可选地，所述激光发射组件包括激光器。

本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：上述的激光接收模块通过设置光电探测电路、信号转换电路、减法器电路、信号处理电路和数模转换电路，信号处理电路在激光测距初始时获取杂散光对应的第二电压信号或者通过预存第二电压信号，并在测距过程中，通过数模转换电路输出第二电压信号至减法器电路，与电压信号进行减法处理，减法器电路最终输出测距光信号对应的第一电压信号，并由信号处理电路进行距离信息的确认，通过采用减法器电路，实现对模拟电压信号进行减法运算，使能够剔除杂散光信号，且没有额外的干扰引入，提高了激光雷达的近距离测距能力和测距精准度。

附图说明

图1为本申请实施例提供的激光接收模块的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的激光接收模块的电路示意图；

图3为本申请实施例提供的激光雷达的第一种结构示意图；

图4为本申请实施例提供的激光雷达的第二种结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

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该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本申请实施例的第一方面提出了一种激光接收模块100，用于接收激光信号，并根据激光信号确定距离信息。

如图1所示，图1为本申请实施例提供的激光接收模块100的结构示意图，本实施例中，激光接收模块100包括：

光电探测电路10，用于接收反射回的激光回波信号并转换为电流信号，激光回波信号包括由测距光路反馈的测距光信号和由杂散光路反馈的杂散光信号；

信号转换电路20，与光电探测电路10连接，信号转换电路20，用于将电流信号转换为电压信号，电压信号包括测距光信号对应的第一电压信号和杂散光信号对应的第二电压信号；

减法器电路30，与信号转换电路20连接，减法器电路30，用于将电压信号与第二电压信号进行减法处理，并输出第一电压信号；

信号处理电路40，与减法器电路30连接，用于接收第一电压信号并确定距离信息，以及输出数字电压信号；

数模转换电路50，分别与信号处理电路40和减法器电路30连接，用于将数字电压信号转换为第二电压信号，并输出至减法器电路30。

本实施例中，进行激光测距工作时，激光发射组件210受控发射激光信号，其中，存在两部分激光回波信号发射至光电探测电路10，其中一部分为激光信号经激光雷达内部的其他杂散光路反射的无效的激光回波信号，即杂散光，另一部分为激光信号经正常光路发射至待测物1，然后经待测物1反射回光电探测组件10的有效的激光回波信号，即测距光信号。

其中，由于经激光雷达内部的其他杂散光路反射的杂散光信号比有效的测距光信号先到达光电探测电路10，因此，信号处理电路40可在激光信号经激光雷达内部的其他杂散光路反射至光电探测组件10的预设时段内先获取杂散光信号对应的第二电压信号，即先先到达的杂散光信号通过光电探测电路10先转换为模拟信号的第二电压信号，此时，信号处理电路40无信号输出，减法器电路30仅有一路信号输入，且将第二电压信号直接传递至信号处理电路40，信号处理电路40可将该第二电压信号转换为数字信号的第二电压信号，并进行存储。

或者，信号处理电路40内部存储的数字信号的第二电压信号通过模拟计算、仿真方式获取并烧录，信号处理电路40存储的数字信号的第二电压信号获取方式不限，可根据实际需求对应选择其中一者或者多者方式。

为了提高每次测距精准度，信号处理电路40采用在激光信号经激光雷达内部的其他杂散光路反射至光电探测组件10的预设时段内先获取杂散光信号对应的第二电压信号。

在后续测距中，光电探测电路10将接收到的具有杂散光信号和测距光信号的激光回波信号转换为电流信号，实现光电探测，同时，经过信号转换电路20转换为电压信号并输出至减法器电路30，电压信号包括测距光信号对应的第一电压信号和杂散光信号对应的第二电压信号，同时，信号处理电路40此时同步输出模拟信号的第二电压信号，两路电压信号经减法器电路30进行减法处理后，剔除了杂散光信号对应的第二电压信号，最终输出测距光信号对应的第一电压信号至信号处理电路40，信号处理电路40将第一电压信号进行模数转换，并根据转换后的数字信号确定待测物1的距离信息，减少了杂散光信号的干扰，提高了激光雷达的近距离测距能力和测距精准度。

同时，在测距过程中，无需采用偏压上下拉形式对光电探测器进行偏压处理，无额外的干扰信号引入，进一步提高了测距精准度。

其中，光电探测电路10完成光信号至电信号的转换，可选择不同类型的光电探测器及对应电路，例如雪崩二极管、硅光电倍增管、单光子雪崩二极管和光电二极管中的对应一者，可选地，如图2所示，光电探测电路10包括光电探测器D1、第一电阻R1和第二电阻R2；

第一电阻R1的第一端与正电源端HV+连接，第一电阻R1的第二端与光电探测器D1的第一端连接并构成光电探测电路10的信号输出端，光电探测器D1的第二端与第二电阻R2的第一端连接，第二电阻R2的第二端与负电源端HV-连接。

本实施例中，光电探测器D1采用正负供电方式，通过正电源端HV+和负电源端HV-构成偏置电压电路，光电探测器D1接收到光信号后，通过与第一电阻R1的连接节点输出电流信号，其中，对应于光电探测器D1的输出类型，可选地，光电探测器D1为硅光电倍增管。

信号转换电路20用于完成电流信号至电压信号的转换作用，可采用电阻、跨阻放大器U2等结构，可选地，如图2所示，信号转换电路20包括第一电容C1和第三电阻R3；

第一电容C1的第一端与光电探测电路10的信号输出端连接，第一电容C1的第二端与第三电阻R3的第一端连接并构成信号转换电路20的信号输出端，第三电阻R3的第二端接地。

第一电容C1起到隔离直流的作用，并与第三电阻R3形成高通滤波器，同时，第三电阻R3起到电流信号转换为电压信号的作用，第三电阻R3的取值可根据电路的增益选择，第一电容C1的取值根据第三电阻R3的阻值及信号的边沿的速度取值。

其中，由于杂散光信号的幅值较大接近1V，如果放大后在进入模拟减法器U1，输出的电压信号饱和，无法达到减法运算的目的，因此，减法器电路30放在第一级，但是整个电路***的信噪比最主要的也是第一级器件增益，第一级的电路增益跟整个***信噪比成正比，为了提高信噪比，需要选型带增益的减法器U1。可选地，如图2所示，减法器电路30包括模拟减法器U1；

模拟减法器U1的信号输入端分别与信号转换电路20和数模转换电路50连接，模拟减法器U1的信号输出端构成减法器电路30的信号输出端。

模拟减法器U1是实现两个模拟量相减的器件，理想的模拟减法器U1的输出电压与同一时刻两个输入电压的瞬时值进行相减，而且输入电压的波形、幅度、极性、和频率可以是任意的，模拟减法器U1的带宽需要大于信号的边沿速率，激光雷达的发射接收模组的光学透镜无法做到100％的全发射，在光学透镜上会产生漫反射，光信号存在部分通过光学透镜反射回来，在接收端就会产生一个杂散光，并且是一个很宽的脉冲，会影响激光雷达的近距离测距。

模拟减法器U1的选型可以选用仪表运算放大器精度较高，因信号的上升沿较快，需要高带宽，增益带宽积的达到8G及以上，压摆率6600V/uS，最主要是需要满足信号的变压速率。

信号处理电路40完成模拟信号至数字信号的转换，以及对应数字信号的第二电压信号的输出反馈，同时，为了保证测距精准度，还需对输入的模拟信号的电压信号进行放大处理，如图2所示，可选地，信号处理电路40包括第二电容C2、跨阻放大器U2、模数转换器U3、第三电容C3和处理器41；

第二电容C2的第一端构成信号处理电路40的信号输入端，第二电容C2的第二端与跨阻放大器U2的输入端连接，跨阻放大器U2的输出端与第三电容C3的第一端连接，第三电容C3的第二端与模数转换器U3的输入端连接，模数转换器U3的输出端与处理器41的信号输入端连接，处理器41的信号输出端与数模转换电路50的信号输入端连接。

本实施例中，信号处理电路40主要是对信号进行放大，采集，分析及计时，电压信号经过减法器电路30后，信号幅值较小需要进行放大，选用跨阻放大器U2对电压信号进行放大，跨阻放大器U2具有高带宽的优点，一般用于高速电路，光电传输通讯***中普遍使用，是用于光通信***中将微弱的光信号转换成电信号并将信号进行一定强度低噪声放大的探测器件，跨阻放大器U2的选型可根据带宽、增益及恢复时间具体选择。

通过事先采集的杂散光信号通过该通道进入模数转换器U3转换为数字信号，并存储保存到处理器41，再经过数模转换电路50反馈至减法器电路30中进行周期抵消杂散光，处理器41可采用对应的单片机、FGPA芯片、MCU等，可选地，处理器为FPGA芯片，根据香农采样定理，为了保证信号不丢失，模数转换器U3的采样率至少得达500MHZ的采样率，同时，由于数据需要输出至FPGA芯片处理后上传到上位进行点云显示，数据传输需要得达到10G的传输速率。

数模转换电路50可采用对应数模转换器U4及其他电路元器件，可选地，如图2所示，可选地，数模转换电路50包括数模转换器U4和第四电阻R4；

数模转换器U4的输入端构成数模转换电路50的信号输入端，数模转换器U4的输出端与第四电阻R4的第一端连接，第四电阻R4的第二端构成数模转换器U4的信号输出端。

数模转换器U4用于将处理器输出的数字信号的第二电压信号转换为模拟信号，并通过第四电阻R4反馈至减法器U1，进行减法运算，消除杂散光的影响，提高了激光雷达的近距离测距能力和测距精准度。

本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：上述的激光接收模块100通过设置光电探测电路10、信号转换电路20、减法器电路30、信号处理电路40和数模转换电路50，信号处理电路40在激光测距初始时获取杂散光对应的第二电压信号或者通过预存第二电压信号，并在测距过程中，通过数模转换电路50输出第二电压信号至减法器电路30，与电压信号进行减法处理，减法器电路30最终输出测距光信号对应的第一电压信号，并由信号处理电路40进行距离信息的确认，通过采用减法器电路30，实现对模拟电压信号进行减法运算，使能够剔除杂散光信号，且没有额外的干扰引入，提高了测距精准度。

本申请还提出一种激光雷达，如图3所示，该激光雷达包括激光发射模块200、控制器300和激光接收模块100，该激光接收模块100的具体结构参照上述实施例，由于本激光雷达采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

其中，控制器300分别与激光发射模块200和激光接收模块100连接；

控制器300，用于输出驱动信号至激光发射模块200，以驱动激光发射模块200发射激光信号。

本实施例中，控制器300完成激光发射控制，并由激光接收模块100完成回波信号的接收、转换以及杂散光信号的消除，消除无效的激光回波信号的测距影响，无内部反射回的激光回波信号对应的电压信号，降低了近距离的测距盲区，提高了测距精度。

同时，激光接收模块100完成测距功能，根据接收到的电压信号确定待测物1的距离信息。

控制器300可选择单片机、MCU、FPGA等模块，具体类型不限。

激光发射模块200可选择对应类型的激光发射组件210，如图4所示，可选地，激光发射模块200包括激光发射组件210和激光驱动电路220，激光发射组件210用于受电发射激光信号，激光驱动电路220与激光发射组件210连接，用于根据驱动信号触发输出驱动电源至激光发射组件210，激光发射组件210可以选择对应类型的激光器，激光驱动电路220可选择对应结构的充放电电路，充放电电路根据接收到的驱动信号进行充放电，并控制激光器按照对应时序以对应角度出射激光信号。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光接收模块，其特征在于，包括：

光电探测电路，用于接收反射回的激光回波信号并转换为电流信号，所述激光回波信号包括由测距光路反馈的测距光信号和由杂散光路反馈的杂散光信号；

信号转换电路，与所述光电探测电路连接，所述信号转换电路，用于将所述电流信号转换为电压信号，所述电压信号包括测距光信号对应的第一电压信号和杂散光信号对应的第二电压信号；

减法器电路，与所述信号转换电路连接，所述减法器电路，用于将所述电压信号与第二电压信号进行减法处理，并输出所述第一电压信号；

信号处理电路，与所述减法器电路连接，用于接收所述第一电压信号并确定距离信息，以及输出数字电压信号；

数模转换电路，分别与所述信号处理电路和所述减法器电路连接，用于将所述数字电压信号转换为所述第二电压信号，并输出至所述减法器电路。

2.如权利要求1所述的激光接收模块，其特征在于，所述光电探测电路包括光电探测器、第一电阻和第二电阻；

所述第一电阻的第一端与正电源端连接，所述第一电阻的第二端与所述光电探测器的第一端连接并构成所述光电探测电路的信号输出端，所述光电探测器的第二端与所述第二电阻的第一端连接，所述第二电阻的第二端与负电源端连接。

3.如权利要求2所述的激光接收模块，其特征在于，所述光电探测器为硅光电倍增管。

4.如权利要求1所述的激光接收模块，其特征在于，所述信号转换电路包括第一电容和第三电阻；

所述第一电容的第一端与所述光电探测电路的信号输出端连接，所述第一电容的第二端与所述第三电阻的第一端连接并构成所述信号转换电路的信号输出端，所述第三电阻的第二端接地。

5.如权利要求1所述的激光接收模块，其特征在于，所述减法器电路包括模拟减法器；

所述模拟减法器的信号输入端分别与所述信号转换电路和所述数模转换电路连接，所述模拟减法器的信号输出端构成所述减法器电路的信号输出端。

6.如权利要求1所述的激光接收模块，其特征在于，所述数模转换电路包括数模转换器和第四电阻；

所述数模转换器的输入端构成所述数模转换电路的信号输入端，所述数模转换器的输出端与所述第四电阻的第一端连接，所述第四电阻的第二端构成所述数模转换器的信号输出端。

7.如权利要求1所述的激光接收模块，其特征在于，所述信号处理电路包括第二电容、跨阻放大器、模数转换器、第三电容和处理器；

所述第二电容的第一端构成所述信号处理电路的信号输入端，所述第二电容的第二端与所述跨阻放大器的输入端连接，所述跨阻放大器的输出端与所述第三电容的第一端连接，所述第三电容的第二端与所述模数转换器的输入端连接，所述模数转换器的输出端与所述处理器的信号输入端连接，所述处理器的信号输出端与所述数模转换电路的信号输入端连接。

8.一种激光雷达，其特征在于，包括激光发射模块、控制器和如权利要求1～7任一项所述的激光接收模块，所述控制器分别与所述激光发射模块和所述激光接收模块连接；

所述控制器，用于输出驱动信号至所述激光发射模块，以驱动所述激光发射模块发射激光信号。

9.如权利要求8所述的激光雷达，其特征在于，所述激光发射模块包括：

激光发射组件，所述激光发射组件用于受电发射所述激光信号；

激光驱动电路，与所述激光发射组件连接，用于根据所述驱动信号触发输出驱动电源至所述激光发射组件。

10.如权利要求9所述的激光雷达，其特征在于，所述激光发射组件包括激光器。