一种反向偏置电压调节装置及方法、以及激光雷达与流程

本发明涉及一种反向偏置电压调节装置及方法、以及激光雷达。
背景技术：
：雪崩式光电二极管(apd)广泛用于激光雷达(lidar)等激光探测单元。apd探测的光功率与发射光功率、目标距离、目标反射率、接收光学系统等相关。接收光功率变化范围可从微瓦级到瓦级，变化范围十分宽泛。当接收光功率比较微弱时，需要提高apd的偏置电压(简称为偏压)以提高apd的增益，从而提高探测器的灵敏度；当接收光功率比较强时，需要降低apd的偏置电压以降低apd的增益，从而防止探测器严重饱和甚至损坏。如果不能及时调节apd的增益，一方面可能导致弱信号检测不到，另一方面持续的强功率激光可能损坏apd。调节apd的增益主要通过调节apd的偏置电压来实现，目前的偏置电压调节方法的缺点至少有：调节速度太慢，无法适应各种场景的需求、仅有几个档位，不能实现连续调节、调节不够稳定导致过冲或振荡、实现方法复杂成本高，功耗高。技术实现要素：本发明正是鉴于上述现有技术中的问题而研发的，其目的在于提供一种能够以简单的方式以纳秒级速度快速、连续地调节apd等的偏置电压、而且能够提高接收机的接收信号强度范围、还能够防止apd被强反射激光损坏的反向偏置电压调节装置及方法、以及激光雷达。为解决上述技术问题，本发明采用下述手段。(1)一种反向偏置电压调节装置，其包括：包括控制单元和调压单元，所述控制单元为所述调压单元提供控制信号；所述调压单元包括第一fet和第二fet，所述第一fet的源极与第二fet的漏极相连接，所述第二fet的源极接地，在所述第一fet源极与第二fet的漏极之间连接有充放电路，在所述第一fet的漏极施加有稳定的电压；基于所述控制信号而产生的驱动控制信号被分别施加于所述第一fet和所述第二fet的栅极，所述第一fet和所述第二fet在所述驱动控制信号的控制下导通或关断，使得所述充放电路充放电，将所述充放电路的输出电压作为反向偏置电压。(2)在上述的反向偏置电压调节装置中，可选的是，所述第一fet的栅极与第一驱动电路连接，由所述第一驱动电路驱动；所述第二fet的栅极与第二驱动电路连接，由第二驱动电路驱动；所述第一驱动电路和所述第二驱动电路均连接于所述控制单元，响应于所述控制单元的所述控制信号输出所述驱动控制信号。(3)在上述的反向偏置电压调节装置中，可选的是，所述充放电路包括第一电阻和第一电容，所述第一电阻的第一端连接于所述第一fet的源极与所述第二fet的漏极之间，所述第一电阻的第二端与所述第一电容的第一端连接，所述第一电容的第二端接地，将所述第一电容的第一端的电压作为所述反向偏置电压输出。(4)在上述的反向偏置电压调节装置中，可选的是，当所述第一fet被控制为导通、而所述第二fet被控制为关断时，所述充放电路处于充电状态，输出的所述反向偏置电压升高；当所述第一fet被控制为关断、而所述第二fet被控制为导通时，所述充放电路处于放电状态，输出的所述反向偏置电压降低。(5)在上述的反向偏置电压调节装置中，可选的是，所述控制单元包括：光电二极管，接收回波信号；第一比较器，将表征所述回波信号的幅度大小的基于光电流的参数值与第一阈值进行比较；第二比较器，将所述参数值与第二阈值进行比较，其中，所述第二阈值低于所述第一阈值；和处理器，基于所述第一比较器和所述第二比较器各自的比较结果输出所述控制信号，所述控制信号使得所述反向偏置电压被调节成使所述参数值处于由所述第一阈值与所述第二阈值限定的范围内。(6)在上述的反向偏置电压调节装置中，可选的是，当所述第一比较器判断为所述参数值大于第一阈值，则所述处理器向所述调压单元输出所述控制信号，以使得所述反向偏置电压降低；当所述第二比较器判断为所述参数值小于第二阈值，则所述处理器向所述调压单元输出所述控制信号，以使得所述反向偏置电压升高。(7)在上述的反向偏置电压调节装置中，可选的是，所述第一比较器和所述第二比较器的输入端均连接于所述光电二极管的正极。(8)在上述的反向偏置电压调节装置中，可选的是，所述光电二极管的正极经由放大器而分别连接于所述第一比较器的输入端和所述第二比较器的输入端。(9)在上述的反向偏置电压调节装置中，可选的是，所述光电二极管的正极与第二电阻串联而接地；所述第一比较器的输入端和所述第二比较器的输入端均连接于所述光电二极管的正极与所述第二电阻之间。(10)在上述的反向偏置电压调节装置中，可选的是，所述光电二极管为雪崩光电二极管。(11)在上述的反向偏置电压调节装置中，可选的是，所述第一fet和所述第二fet为氮化镓fet。(12)在上述的反向偏置电压调节装置中，可选的是，还包括：升压单元，与所述调压单元电连接，用于为所述调压单元提供所述稳定的电压，所述升压单元包括：dc电源、电感、dc-dc控制器、mos管、第二电容、第三电阻以及第四电阻；其中，所述dc电源的正极连接所述电感的第一端；所述dc-dc控制器与所述mos管的栅极连接；所述第三电阻的第一端与所述第四电阻的第二端连接；所述mos管的漏极、所述第二电容的第一端以及所述第四电阻的第一端均接地；所述电感的第二端、所述mos管的漏极、所述第二电容的第二端以及所述第三电阻的第二端并联后，连接所述调压单元中的所述第一fet的漏极。(13)在上述的反向偏置电压调节装置中，可选的是，所述dc-dc控制器获取所述第三电阻和所述第四电阻之间的反馈信号，并基于所述反馈信号调节向所述mos管的栅极输出的电压。(14)本发明还提供了一种利用上述的反向偏置电压调节装置调节反向偏置电压的反向偏置电压调节方法，其中，所述反向偏置电压调节装置包括控制单元和调压单元，所述控制单元为所述调压单元提供控制信号；所述调压单元包括第一fet和第二fet，所述第一fet的源极与第二fet的漏极相连接，所述第二fet的源极接地，在所述第一fet源极与第二fet的漏极之间连接有充放电路，在所述第一fet的漏极施加有稳定的电压；驱动控制信号被分别施加于所述第一fet和所述第二fet的栅极，在所述方法中，基于所述控制信号生成所述驱动控制信号，利用所述驱动控制信号驱动所述第一fet和所述第二fet导通或关断，使得所述充放电路充放电，并将进行了充放电的所述充放电路的输出电压作为反向偏置电压。(15)在上述的反向偏置电压调节方法中，可选的是，将所述第一fet控制为导通，且将所述第二fet控制为关断，从而所述充放电路处于充电状态，输出的所述反向偏置电压升高；将所述第一fet控制为关断，且将所述第二fet控制为导通，从而所述充放电路处于放电状态，输出的所述反向偏置电压降低。(16)本发明的另一方式提供一种反向偏置电压调节方法，该方法包括下述步骤：通过控制充放电路的充放电时间来对所提供的稳定电压进行调节，并将调节后的电压作为光电二极管的反向偏置电压；将表征所述光电二极管所接收的回波信号的幅度大小的基于光电流的参数值分别与规定的第一阈值和比所述第一阈值低的规定的第二阈值进行比较；基于所述比较的结果对所述充放电路的充放电时间进行反馈控制，以使得所述参数值处于由所述第一阈值与所述第二阈值规定的范围内。在上述的反向偏置电压调节方法中，优选的是，通过pwm控制来控制充放电路的充放电时间。(17)本发明的再一个方式是提供一种激光雷达，其具有上述的反向偏置电压调节装置。(18)本发明的再一个方式是提供一种激光雷达，该激光雷达采用上述的反向偏置电压调节方法来调节接收信号强度范围。发明效果基于以上所述，由于激光雷达lidar的分辨率和帧率是重要的指标，这就要求扫描速度更快，单位时间内需要更多的测量点，这便要求apd的偏置电压能够更快更稳定的调节，以获得更好的点云质量。根据本发明，能够更快更稳定的调节apd的偏置电压，同时能够更及时地保护apd不被强入射激光损坏。附图说明图1为热量累计损坏的示意图；图2为一种偏置电压的调节电路图；图3为另一种偏置电压的调节电路图；图4为又一种偏置电压的调节电路图；图5为本发明第一实施方式的反向偏置电压调节装置的结构组成示意图；图6为本发明实施方式的rc充放电路的等效模型示意图；图7为本发明实施方式的充电响应的建立时间的示意图；图8为本发明实施方式的放电响应的建立时间的示意图；图9为本发明实施方式的闭环控制的流程图；图10为本发明第二实施方式的反向偏置电压调节装置的结构组成示意图。具体实施方式为了能够更加详尽地了解本申请实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本申请实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本申请实施例。为便于理解本申请实施例的技术方案，以下对本申请实施例涉及到的相关概念及技术进行说明。1)雪崩光电二极管(下简称apd)的原理类似于光电倍增管。在加上一个较高的反向偏置电压(也可以简称为偏置电压或偏压)后(在硅材料中一般为100-200v)，利用电离碰撞(雪崩击穿)效应，可在apd中获得电流增益m，电流增益m参照如下公式(1)：apd的偏置电压对apd的增益m影响非常大，也是最简单控制apd增益的途径。apd的偏置电压使其增益稳定可调尤为重要。如果不能及时调节apd的增益m，一方面可能导致弱信号检测不到，另一方面持续的强功率激光可能损坏apd。apd较长时间强光照射，热量累积损坏如图1所示。2)调节apd的增益主要通过调节apd的偏置电压，以下描述了三种调节方法：方法1：参照图2，通过调节反馈电阻来实现调压，该方案的缺点是调节太慢，调节时间为毫秒级，对lidar来说，其扫描速度较快，单点的测量时间也就几个微秒，毫秒级的响应无法适应需求。方法2：参照图3，预先配置两套升压电路，通过开关电路切换实现调压，该方案的缺点1是由于寄生电感原因，开关瞬间可能产生过冲尖峰导致增益不稳定；缺点2是只有两种电压调节，不能连续调节，适应的动态范围有限；缺点3是调节时间一般微秒级，仍不能适应高速扫描激光雷达应用。方法3：参照图4，使用a、b、ab类高压功率放大器实现调压，该方案的缺点1是a、b、ab类高压功率放大器功耗较大；缺点2是需要额外的高速dac配合实现；缺点3是调节时间一般微秒级，仍不能适应高速扫描激光雷达。本发明实施方式提供了一种针对apd等器件的偏置电压快速、连续调节方法，实现硬件简单可靠。可以提高接收机的接收信号强度动态范围以及防止apd被强反射激光损坏。本发明实施方式的技术方案同样适用激光雷达的探测器如spad、mppc、sipm等偏置电压可以调节增益的光电探测器件。图5为本发明第一实施方式提供的一种反向偏置电压调节装置的结构组成示意图，该反向偏置电压调节装置输出的偏置电压能够快速且连续调节，适用激光雷达的探测器如spad、mppc、sipm等偏置电压可以调节增益的光电探测器件。如图5所示，反向偏置电压调节装置包括：升压单元，与调压单元电连接，用于为调压单元提供稳定电压；控制单元(如图5中的闭环控制单元)，与调压单元电连接，用于为调压单元提供控制信号；调压单元，与升压单元及所述控制单元分别电连接，用于接收控制单元发送的控制信号，响应于控制信号，调节输出的反向偏置电压。进一步，升压单元包括：dc电源、电感、dc-dc控制器、mos管、电容c2、电阻r3以及电阻r4。dc电源的正极连接电感的第一端；dc-dc控制器与mos管的栅极连接；电阻r3的第一端与电阻r4的第二端连接。mos管的漏极、电容c2的第一端以及电阻r4的第一端均接地。电感的第二端、mos管的漏极、电容c2的第二端以及电阻r3的第二端并联后，连接调压单元，更具体地说，是连接调压单元中的fet1(在后说明)的漏极。进一步，dc-dc控制器用于获取电阻r3和电阻r4之间的反馈信号，并基于该反馈信号调节向mos管的栅极输出的电压信号。调压单元包括fet1、fet2。如图5所示，fet1的源极与fet2的漏极相连接。fet2的源极接地。在fet1的源极与fet2的漏极之间连接有充放电路。该充放电路由电阻r1和电容c1构成。来自升压单元的稳定的电压被施加在fet1的漏极。第一驱动电路d1的第一端与控制单元连接，第一驱动电路d的第二端与fet1的栅极连接；第二驱动电路d的第一端与控制单元连接，第二驱动电路d的第二端与fet2的栅极连接。第一、第二驱动电路d在控制单元的控制之下，分别向fet1、fet2输出驱动控制信号。上述的充放电路由电阻r1和电容c1构成。电阻r1的第一端连接于fet1和fet2之间，电阻r1的第二端与电容c1的第一端连接，电容c1的第二端接地。该电容c1的第一端(电阻r1的第二端)的电压被作为反向偏置电压输出，例如输出给雪崩光电二极管。上述由fet1和fet2构成的电路称为半桥驱动电路。利用该半桥驱动电路来控制充放电路进行充电或者放电。当fet1被控制为导通、而fet2被控制为关断时，充放电路处于充电状态，输出的所述反向偏置电压升高。当fet1被控制为关断、而fet2被控制为导通时，充放电路处于放电状态，输出的反向偏置电压降低。由此，实现了反向偏置电压的调节。而且，由于此处采用了fet半桥电路，所以能够快速地(纳秒级速度)进行开关通断。作为fet，例如可以采用氮化镓fet。而且，由于使用rc充放电路，充放电回路无电感，响应更快，无过冲,无振荡。另外，还可以利用光电二极管(例如雪崩式光电二极管)接收回波信号，并利用该回波信号对反向偏置电压进行反馈控制。具体而言，控制单元包括：光电二极管，接收回波信号(此处作为一例，采用了雪崩式光电二极管apd，但是也可以采用普通光电二极管)；第一比较器c，将表征回波信号的幅度大小的基于光电流的参数值与第一阈值(例如高阈值)进行比较；第二比较器c，将上述的参数值与第二阈值(例如低阈值)进行比较，其中，第二阈值低于第一阈值；和处理器，基于第一比较器c和第二比较器c各自的比较结果输出控制信号，控制信号使得反向偏置电压被调节成使表征回波信号的幅度的参数值处于由第一阈值与第二阈值限定的范围内。关于“表征回波信号的幅度大小的基于光电流的参数值”进行说明。光电二极管接收回波信号并将其转换为光电流，表示该光电流大小的参数(可以是电流值，也可以是电压值，或者是其他能够表示回波信号幅度大小的参数值)即可以表征回波幅度的大小。上述的控制信号用于通过pwm控制来控制fet1和fet2的通断。当第一比较器c判断为上述的参数值大于第一阈值，则处理器向调压单元输出控制信号，以使得反向偏置电压降低；当第二比较器c判断为上述的参数值小于第二阈值，则处理器向调压单元输出控制信号，以使得反向偏置电压升高。第一比较器和第二比较器的输入端均连接于光电二极管的正极。如图5所示，在第一实施方式中，光电二极管的正极与电阻r2串联而接地。第一比较器的输入端和第二比较器的输入端均连接于该光电二极管的正极与电阻r2之间。当使用上述构成的反向偏置电压调节装置进行调节时，其调节方法如下。首先，进行初始化。通过控制充放电路的充放电时间来对所提供的稳定电压进行调节，并将调节后的电压作为光电二极管的反向偏置电压；将所述光电二极管所接收的回波信号(表征该回波信号的幅度大小的基于光电流的参数值)分别与规定的第一阈值和比所述第一阈值低的规定的第二阈值进行比较；基于所述比较的结果对所述充放电路的充放电时间进行反馈控制，以使得表征所述回波信号的幅度大小的参数值处于由所述第一阈值与所述第二阈值规定的范围内。具体而言，升压单元通过pwm控制对调压单元提供连续且稳定的电压，例如高电压。在由两驱动电路分别驱动的fet的开关控制下，能够调节由r1(即第一电阻)和c1(即第一电容)构成的充放电电路的充放电时间(详细后述)，从而将升压单元提供的电压调节成需要的电压。该期望的电压即为光电二极管(例如雪崩光电二极管)的反向偏置电压。另一方面，拾取该光电二极管(例如雪崩光电二极管)接收的回波信号，并将该回波信号送至控制单元中的第一、第二比较器中，分别与第一阈值(高阈值)、第二阈值(低阈值)进行比较，该比较结果被输入至控制单元的处理器。在图5中，由于光电流经电阻r2产生对应的电压，因此此处是将该电压引入第一、第二比较器(即，电压比较器)，分别与第一阈值和第二阈值进行比较。处理器基于该比较结果输出控制信号，例如pwm控制信号，以控制调压单元中两fet各自的驱动电路，其实质是控制充放电电路的充放电时间，进而控制反向偏置电压。具体地，当第一比较器判断为基于回波信号的光电流的电压值大于所述第一阈值时，进行控制以使得反向偏置电压降低，从而将上述的电压值(表征的是回波信号的幅度)收敛至第一阈值限定的范围内。当第二比较器判断为基于回波信号的光电流的电压值小于第二阈值时，进行控制以使得反向偏置电压升高，从而将上述的电压值(表征的是回波信号的幅度)放大至第二阈值限定的范围内。当然，由于设有第一、第二阈值，所以回波信号的幅度被收敛在由第一、第二阈值限定的范围内。以下对图5所示的反向偏置电压调节装置的实现原理进行说明。图5中的升压部分负责提供稳定高压。如图5中的调压部分采用氮化镓fet半桥驱动电路，实现快速开关，通过脉冲宽度调制(pwm)控制充放电时间，达到调压目的。图5中的闭环控制部分实现反馈调节并控制边界条件时的特殊处理，使回波信号幅度稳定在需求的范围。调压部分调节稳定的时间主要由rc时间常数τ计算。等效电路模型如图6所示，图6以r(即第三电阻)的取值为50ω，c(即第二电容)的取值为1nf为例。充电响应如图7所示，99％建立时间为230ns；99.9％建立时间为340ns。放电响应如图8所示，99％建立时间为230ns；99.9％建立时间为340ns。上述方案中的时间常数τ＝r*c，充电电压以及放电电压与时间常数的对应关系见下表1所示：时间t01τ2τ3τ4τ5τ放电电压ue0.368e0.135e0.05e0.018e0.0067e充电电压u00.632e0.865e0.95e0.982e0.9933e表1一般5τ时间便能稳定建立，不同的lidar系统对响应时间有不同的要求，若需要调整响应速度仅需更改r1(即第一电阻)和/或c1(即第一电容)这两个器件的参数就可以实现。另一方面，由于环路串联r1(第一电阻)的作用，即使环路有寄生电感l影响，环路q值较低不会导致电压过冲，振荡。电路q值计算公式如下。例如：r1的取值为50欧姆，c1的取值为1nf，l的取值为1uh(寄生电感远小于这个值)，那么，可以计算电路q等于0.632(小于0.707)，系统不会产生过冲、振荡。闭环控制部分实现方法图9所示，可使回波信号幅度处于高阈值(即第一阈值)和低阈值(即第二阈值)之间。仅使用回波信号幅度作为反馈，忽略温度、环境光等对增益的影响，可以使闭环系统更收敛、稳定。根据本发明的上述技术方案，1、使用ganfet(即氮化镓fet)代替mos作开关管可以提高开关速度；2、使用rc充放电，充放电回路无电感或者电感较小，响应更快，无过冲，无振荡；3、通过pwm调压，可以通过改变占空比实现连续调节，无需额外dac等器件；4、仅使用光回波信号幅度作反馈，利用高低阈值窗口来稳定回波信号到合理范围，无需额外反馈条件，使闭环更稳定；5、可以通过改变r和/或c的取值从而灵活调节响应时间。需要说明的是，本申请实施例技术方案中的ganfet也可以替换为普通mos管，以有效节省成本。对于普通mos管来说，其控制时间相对于ganfet可能增加几十到几百纳秒。根据上述实施方式，本发明还能够提供具有上述的反向偏置电压调节装置的激光雷达。本发明还能够提供采用上述的反向偏置电压调节方法来调节接收信号强度范围的激光雷达。这些激光雷达同样具有上述的优点和效果。本发明并不限于上述的构成及连接关系。例如，在上述的第一实施方式中，光电二极管的正极经由电阻r2接地，从光电二极管的正极与电阻r2之间取出光电流信号的电压值并送入第一、第二比较器进行电压比较。然而，如图10所示，在第二实施方式，取而代之，采用了下述结构：光电二极管的正极经由放大器而分别连接于第一比较器的输入端和第二比较器的输入端。此处，放大器可以是跨阻放大器，也可以是低噪声放大器。由此，光电二极管基于回波信号产生的光电流经放大器而被转换成电压值，由第一、第二比较器将该电压值与第一、第二阈值进行比较。第二实施方式中的其他构成及工作方法与第一实施方式相同，因此针对相同的要素标注了相同的附图标记并省略重复的说明。以上所述，仅为本发明的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。当前第1页12