基于载波调制的激光雷达测距系统及测距方法与流程

本发明涉及一种基于载波调制的激光雷达测距系统及测距方法。

背景技术：

随着激光技术、嵌入式技术和集成光学的发展，激光测距正朝着数字化、自动化、低成本、小型化的方向发展。激光测距雷达具有精度高，系统体积小，测量迅速的优点，有着广泛的应用前景。

激光雷达测距过程中如何获得精准的目标位置，这对于提高图像分辨率有着十分重要的作用，尤其是对于不断运动的目标车辆，因车辆内部存在电磁干扰，容易造成测量不够精准的问题。

另外，传统的车载激光雷达探测器多数采用单点测试方式，其需要配置机械扫描装置，扫描速度缓慢，图像空间分辨率低。为了提高扫描速度需要选用焦平面阵列探测器，但是由于现有焦平面阵列探测器芯片封装工艺绝大多数是将探测器阵列与读出电路阵列分离为两层，将探测器阵列置于芯片底层，其上一层为读出电路的a/d转换器及放大电路，二极管在接收光信号时先要透过二极管上层的读出电路的线路层，由于光投射到线路层时容易发生光反射造成光损失，减少了二极管的受光量。

技术实现要素：

基于以上背景，为解决现有激光雷达测距系统测量精度低、抗干扰性差的问题，本发明提供了一种测量精度高、抗干扰性好的基于载波调制的激光雷达测距系统及测距方法。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种基于载波调制的激光雷达测距系统，包括控制电路、光源、探测装置、光学系统；控制电路包括主处理器和光源驱动电路；

其特殊之处在于：

主处理器与光源驱动电路和所述探测装置均相连；主处理器用于输出一组伪随机码序列；

光源驱动电路用伪随机码序列对光源发出的光信号进行低频载波调制；

光学系统用于将所述光源发出的光信号投射到待测目标物上，并将待测目标物反射的回波信号汇聚后投射到所述探测装置上；

所述探测装置对所接收得回波信号进行采样、差分放大、a/d转换处理后输出数字信号；

所述主处理器根据所述数字信号计算相位，获取待测目标物距离信息。

进一步地，上述探测装置包括探测器阵列、信号采集处理单元、衬底、互连金属、金属布线层、时序控制电路和用于生成行选信号的行选模块；

所述探测器阵列由多个独立的、对应不同空间视场角的设置在所述衬底上的光电二极管构成；

所述信号采集处理单元包括采样电路和由列差分放大电路、a/d转换电路及数据输出模块构成的处理电路；数据输出模块包括用于生成列选信号的列选模块；

采样电路与所述光电二极管一一对应，每一个采样电路与相应的光电二极管的负极端相连并集成于一体构成一个像素单元；所有像素单元组成一个像素单元阵列；

像素单元阵列和处理电路集成在所述衬底上，像素单元阵列通过互连金属与金属布线层相连，金属布线层通过数据列线与处理电路相连；

列差分放大电路的数量等于像素单元阵列的列数，一个列差分放大电路对应一列像素单元；每一列像素单元的所有采样电路的输出端均与该列像素单元所对应的列差分放大电路的输入端相连；所有列差分放大电路的输出端均与所述a/d转换电路的输入端相连；

a/d转换电路的输出端与所述数据输出模块的输入端相连；a/d转换电路用于将列差分放大电路输出的电压差值信号转换为数字信号；时序控制电路用于控制所述行选模块和所述列选模块工作；数据输出模块用于输出通过所述行选模块和列选模块所确定的光电二极管所对应的用于计算相位的数字信号。

进一步地，上述采样电路包括nmos管nm7，开关s1、s2、s3、s4、s5、s6，电容c1、c2；开关s1～s4均由一个nmos管和一个pmos管对接构成，开关s5～s6均由一个pmos管构成；开关s1～s4的nmos管分别记为nm1、nm2、nm3和nm4，开关s1～s4的pmos管分别记为pm1、pm2、pm3和pm4，开关s5～s6的pmos管分别记为pm5和pm6；

nm7的栅极接箝位电压vb，nm7的源极接光电二极管的负极端，nm7的漏极同时与nm1、nm2的漏极以及pm1、pm2的漏极相连；nm1和pm1的源极同时接电容c1的一端，nm2和pm2的源极同时接电容c2的一端；电容c1和电容c2的另一端分别接地；

nm1和pm1的源极还同时接pm5、pm3和nm3的漏极；nm1和pm1的栅极分别接控制信号vs1和vs2；pm5的源极接复位电源vdd；pm5的栅极接复位电压vrst；pm3和nm3的源极相接作为采样电路的其中一个输出端vout1；pm3和nm3的栅极分别接控制信号vs3和vs4；

nm2和pm2的源极还同时接pm6、pm4和nm4的漏极；nm2和pm2的栅极分别接控制信号vs2和vs1；pm6的源极接复位电源vdd；pm6的栅极接复位电压vrst；pm4和nm4的源极相接作为采样电路的另一个输出端vout2；pm4和nm4的栅极分别接控制信号vs3和vs4；

控制信号vs1是由主处理器发出的送入信号采集处理单元的那一路伪随机码序列码所发出的调制信号，控制信号vs2由所述调制信号取反得到；

输出端vout1和vout2分别连接列差分放大电路的两个输入端。

进一步地，上述a/d转换电路包括斜波产生电路和多个比较器，比较器的数量等于像素单元阵列的列数，一个比较器对应一列像素单元；斜波产生电路的波形信号输出端与每个比较器的其中一个输入端均相连，每一列像素单元的所有采样电路所输出的电压信号均通过相应的列差分放大电路送入该列像素单元所对应的比较器的另一个输入端，所有比较器的输出端均接数据输出模块的输入端；

斜波产生电路包括负载电阻r、积分电容c和运算放大器；负载电阻r的一端接电压vin1，负载电阻r的另一端同时接运算放大器的反向输入端和积分电容c的一端，积分电容c的另一端接运算放大器的输出端vramp，积分电容c的两端还并联有复位开关rst，运算放大器的同向输入端接电压vin2；电压vin1、vin2用于控制斜波产生电路所产生的斜波信号，其中电压vin1、vin2由探测装置内的分压电路产生；

数据输出模块还包括nbit计数器、输出缓冲模块和多个存储器；多个存储器的输入端分别与所述多个比较器的输出端一一对应相连，nbit计数器和所述列选模块分别发送控制信号给所述多个存储器的控制端，所述多个存储器的数据输出端均通过数据总线与输出缓冲模块的输入端相连，由输出缓冲模块的输出端输出用于计算相位的数字信号。

进一步地，上述衬底的底部设置有由多个菲涅尔透镜构成的微透镜阵列；每个菲涅尔透镜对应一个像素单元，用于透射回波信号光并使回波信号光汇聚到对应像素单元的光电二极管上。

进一步地，上述低频载波的调制频率<500mhz。

进一步地，上述主处理器为dsp数字信号处理器、fpga可编程门阵列、专用asic、gpu或者cpu；所述光源为面光源、led光源或者ld光源。

本发明同时提供了一种利用上述激光雷达测距系统进行测距的方法，包括以下步骤：

1)主处理器产生一组伪随机码序列；

2)用伪随机码序列对光源输出的光信号进行低频载波调制；

3)将调制后的光信号投射到待测目标物上；

4)探测装置的各像素单元分别接收待测目标物反射的回波信号，并对其进行采样、差分放大、a/d转换处理得到数字信号；

5)主处理器根据所述数字信号计算相位，获取待测目标物的距离信息。

进一步地，上述步骤2)具体为：主处理器输出的伪随机码序列传递给光源驱动电路，光源驱动电路通过电流进行调制，使光源强度随着主处理器产生的伪随机码同步变化。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明利用低频伪随机码序列对光源信号进行载波调制，提高了系统的测量精度和抗干扰能力。

2、本发明采用的探测装置为阵列探测器，避免了测距系统对机械扫描装置的依赖，同时提高了系统的可靠性。

3、本发明采用探测器阵列对回波信号进行面阵探测，探测器阵列由多个独立的光电二极管构成，每个光电二极管和与其相连的采样电路构成一个像素单元，每个像素单元均对应有完整的读出电路，工作时，每个像素单元同时进行数据转化，相对于传统单点探测的方式，极大地提高了测距系统的扫描速度。

4、探测器阵列的每个光电二极管经过镜头对应不同的空间视场角，图像空间分辨率高。

5、探测器阵列中的每个光电二极管与采样电路集成于一体，电路简单对信号的处理在一个小尺寸的芯片内实现。

6、探测装置采用背照式设计，其金属布线层设置在光电二极管的底层，光电二极管可以直接与透光面接触，减少了中间环节光线的损失，而且有效的减少了芯片厚度。

7、探测装置的衬底底部设有微透镜阵列，每个光电二极管对应一个微透镜，更有效将回波信号光汇聚在对应的光电二极管上，减少了光电二极管之间多余的光线干扰。

附图说明

图1为本发明测距系统的结构原理示意图；

图2为本发明的信号采集处理单元的电路原理框图；

图3为本发明的探测装置的整体结构示意图；

图4为本发明的探测装置的组成结构示意图；

图5为本发明的探测装置的侧视剖面图；

图6为本发明的探测装置及其输出接口系统整体结构示意图；

图7为图6所示的探测装置的像素输出布线图；

图8为本发明的探测装置的整体原理框图；

图9为图8中斜波产生电路原理图；

图10为图8中采样电路原理图；

图11为本发明的探测装置的一维行选通模块示意图；

图12为本发明的探测装置的二维行/列选通模块示意图；

图13为本发明的探测装置的时序控制图；

图14为本发明的探测装置的寻址行使能选通开关逻辑示意图；

图15为本发明的探测装置的寻址列使能选通开关逻辑示意图。

附图标记说明：

1-控制电路，11-主处理器，12-光源驱动电路，13-外设接口电路，2-光源，3-探测装置，31-信号采集处理单元，32-探测器阵列，311-采样电路，312-处理电路，3121-列差分放大电路，3122-a/d转换电路，3123-数据输出模块，

301-微透镜，302-衬底，303-器件有源区(外延层)，304-金属布线层，305-互连金属，306-像素单元阵列，3031-光电二极管，307-数据列线，

322、324-n型掺杂层、325-p型掺杂层、326-阴极电极、327-阳极电极、328-sio2隔离层，

4-光学系统，5-目标物体，6-外设，7-行选通地址线，8-数据总线。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作详细说明。

参见图1-8，本发明所提供的激光雷达测距系统主要包括控制电路1、光源2(可采用面光源、led光源或者ld光源)、光学系统4、由探测器阵列32和信号采集处理单元31构成的探测装置3；

控制电路1主要包括主处理器11、光源驱动电路12和外设接口电路13，其中光源驱动电路12的输出端接光源2的输入端，主处理器11的i/o口分别接探测装置3、光源驱动电路12和外设接口电路13；主处理器11作为控制电路的核心控制器件可选用dsp数字信号处理器或者选用fpga可编程门阵列或者专用asic或者gpu或者cpu；外设接口电路13可选用rs-422、rs-485或rs-232接口；

探测器阵列32用于接收光学系统4所返回的回波信号，探测器阵列32由多个独立的用于采集回波信号光的光电二极管3031构成；光电二极管3031设置在衬底302上，分布在衬底302与金属布线层304之间的器件有源区(外延层)303；

信号采集处理单元31用于接收和处理探测器阵列32的输出信号，信号采集处理单元31与主处理器11相互通信；信号采集处理单元31包括采样电路311和由列差分放大电路3121、a/d转换电路3122及数据输出模块3123构成的处理电路312；采样电路311、列差分放大电路3121、a/d转换电路3122及数据输出模块3123依次相接；采样电路311用于完成对像素信号的采集和电荷积累，然后以两路电压信号输出给列差分放大电路3121，将列差分放大电路3121得到的差值信号传输到a/d转换电路3122，通过a/d转换电路3122将模拟量信号转换为用于计算相位的数字信号，该数字信号最终通过数据输出模块3123传输给主处理器11；

探测器阵列32中每个光电二极管3031的负极端均连接有一个采样电路311并与其集成于一体构成一个像素单元；所有像素单元组成一个像素单元阵列306；处理电路312作为像素单元阵列的读出电路；

探测装置3还包括衬底302(材质为si)、互连金属305(该互连金属作为接触以实现器件与si衬底的连接)、金属布线层304、时序控制电路和用于生成行选信号的行选模块；像素单元阵列306、处理电路312、时序控制电路和行选模块均集成在衬底302上，像素单元阵列306通过互连金属305与金属布线层304相连，金属布线层304通过数据列线307与处理电路312相连；

参见图4，金属布线层304由多个金属布线单元构成，每一列金属布线单元分别对应一列像素单元；每个金属布线单元是由多层金属层和多层介质层构成，在每层金属层上均设有连接点，多层介质层分别设置在相邻两层金属层之间，介质层为sio2材料的绝缘层。

参见图4，衬底302底部还设置有与衬底302集成于一体的微透镜阵列，微透镜阵列由多个菲涅尔透镜构成，每个菲涅尔透镜对应一个像素单元，用于透射回波信号光并使回波信号光汇聚到对应像素单元的光电二极管3031上，有利于光电二极306管吸收光信号，该微透镜阵列有效提高了衬底表面透射率。

参见图5，衬底302顶部设置设有sio2隔离层328，在sio2隔离层328上设有多个用于内嵌阴极电极326和阳极电极327的孔，阴极电极326镶嵌入衬底302中的接触面处设有面积大于阴极电极326截面积的n型掺杂层324，阳极电极327镶嵌入衬底302中的接触面处设有面积大于阳极电极327截面积的p型掺杂层325。衬底302底部具有n型掺杂层322，微透镜阵列设置在n型掺杂层322底部。

采样电路

参见图7和图8，采样电路311有多个，其与光电二极管3031一一对应，每个光电二极管3031的负极端均连接有一个采样电路311并集成于一体。

参见图10，采样电路311包括nmos管nm7、开关s1、s2、s3、s4、s5、s6及电容c1、c2；开关s1～s4均由一个nmos管和一个pmos管对接构成，开关s5～s6均由一个pmos管构成；开关s1～s4的nmos管分别记为nm1、nm2、nm3和nm4，开关s1～s4的pmos管分别记为pm1、pm2、pm3和pm4，开关s5～s6的pmos管分别记为pm5和pm6；

nm7的源极接光电二极管的负极端，nm7的漏极同时与nm1、nm2的漏极以及pm1、pm2的漏极相连，nm7的栅极接箝位电压vb；nm1和pm1的源极同时接电容c1的一端，nm2和pm2的源极同时接电容c2的一端；电容c1和电容c2的另一端分别接地；

nm1和pm1的源极还同时接pm5、pm3和nm3的漏极；nm1和pm1的栅极分别接控制信号vs1和vs2；pm5的源极接复位电源vdd；pm5的栅极接复位电压vrst；pm3和nm3的源极相接作为采样电路的其中一个输出端vout1；pm3和nm3的栅极分别接控制信号vs3和vs4；

nm2和pm2的源极还同时接pm6、pm4和nm4的漏极；nm2和pm2的栅极分别接控制信号vs2和vs1；pm6的源极接复位电源vdd；pm6的栅极接复位电压vrst；pm4和nm4的源极相接作为采样电路的另一个输出端vout2；pm4和nm4的栅极分别接控制信号vs3和vs4；

控制信号vs1是由主处理器发出的送入信号采集处理单元的那一路伪随机码序列码所发出的调制信号，控制信号vs2由所述调制信号取反得到；

nm7为箝位电路，用于在电容c1、c2上的电压变化时，避免光电二极管两端电压发生大的变化；

输出端vout1和vout2分别连接列差分放大电路3121的两个输入端。

图10所示采样电路的工作原理：

与光电二极管相连的nmos管nm7起箝位作用，vb为箝位电压。

电容c1、c2为像素内积分电容，开关s1、s2的作用是控制像素内积分过程，开关s1的nmos管nm1、开关s2的pmos管pm2的控制信号vs1和开关s1的pmos管pm1、开关s2的nmos管nm2的控制信号vs2是行选模块输出的控制信号，vs1和vs2电压相反；vs1置为高vs2置为低，则s1闭合s2断开；vs1置为低vs2置为高，则s1断开s2闭合。

开关s3、s4的作用是控制像素内积分电压的输出，s3，s4各由一对pmos和nmos管对接而成，开关s4的pmos管pm4的控制信号vs3和开关s3的nmos管nm3的控制信号vs4是行选模块输出的行选通信号，vs3被置高vs4被置低，可使s3和s4断开，vs3被置低vs4被置高，可使s3和s4闭合。

开关s5、s6的作用是控制像素内电容的复位，其控制端的vrst信号来自于行选模块，vrst被置高，可使s5和s6断开，vrst被置低，可使s5和s6闭合。

图10所示采样电路的工作过程

图13中，上图代表某一行每帧的信号循环往复，下图表示一帧内某一行信号具体的变化情况，不同信号控制不同开关的启闭，下面结合图10和13以及开关的工作状态说明采样电路的工作过程：

步骤一：断开开关s3、s4、s5和s6，根据控制信号vs1和vs2交替闭合开关s1和s2，光源根据调制信号发射调制光，控制信号vs1与调制信号相同，控制信号vs2正好与调制信号相反，回波产生的电荷存储在电容c1和电容c2中。

步骤二：将开关s1和s2断开，s5和s6仍保持断开状态，通过行选信号闭合开关s3和s4，将电容c1和c2的电压输送到两个列线vout1和vout2上，传输到列差分放大电路中，得到电容c1和c2上电压的差，再将电压差值信号传输到a/d转换电路中，将模拟信号转换为数字信号，最终通过数据输出模块传输到探测装置外。

本步骤中，电容c1的电压为a1∫m(t)m(t-td)·dt，电容c2的电压为a1∫[1-m(t)]m(t-td)·dt,经过差分放大电路处理后输出a2∫[2m(t)-1]m(t-td)·dt＝a3·(tc-td)；其中，a1、a2和a3均为系数，且在时间近似不变的情况下，为定值。

步骤三：传输结束后，闭合开关s5、s6，断开开关s3、s4，开关s1、s2仍然处于断开状态，完成对数据列线以及电容c1和c2进行复位。

步骤四：断开开关s3、s4、s5和s6，根据控制信号vs1和vs2交替闭合开关s1和s2，光源根据调制信号发射调制光，控制信号vs1比调制信号延迟一个码片长度，控制信号vs2正好与控制信号vs1相反，回波信号产生的电荷存储在电容c1、c2中。

步骤五：将开关s1和s2都断开，s5和s6均保持断开状态，通过行选信号闭合开关s3和s4，将电容c1和c2的电压输送到两个输出端vout1和vout2上，传输到列差分放大电路中得到电容c1、c2上电压的差值，再将电压差值信号传输到a/d转换电路中，将模拟信号转换为数字信号，最终通过数据输出模块传输到探测装置外，当传输结束后，闭合开关s5和s6，对像素单元内的电容进行复位。

本步骤中，电容c1的电压为a1∫m(t-tc)m(t-td)·dt，电容c2的电压为a1∫[1-m(t-tc)]m(t-td)·dt，经过差分放大电路处理后输出a2∫[2m(t-tc)-1]m(t-td)·dt＝a3·td。

步骤六：闭合开关s1、s2、s5、s6，断开开关s3、s4，对光电二极管以及电容c1、c2进行复位。

步骤二和步骤五输出的两个数据(a3·(tc-td)和a3·td)用于送入主处理器中进行计算以得到距离信息。

上述步骤二和步骤五中涉及到c1和c2的电压值，参数中m是指m序列，tc是指一个小脉冲的时间，即码片的时间长度；td是返回的延迟时间。

列差分放大电路

参见图8，列差分放大电路3121的数量等于像素单元阵列的列数，一个列差分放大电路对应一列像素单元；每一列像素单元的所有采样电路的输出端均与该列像素单元所对应的列差分放大电路的输入端相连；所有列差分放大电路的输出端均与a/d转换电路3122的输入端相连。

a/d转换电路

参见图8，a/d转换电路3122包括斜波产生电路和多个比较器，比较器的数量等于光电二极管3031的列数，一个比较器对应一列光电二极管；斜波产生电路的波形信号输出端与每个比较器的其中一个输入端均相连，每一列光电二极管3031所对应的列差分放大电路312的输出端与每个比较器的另一个输入端均相连，所有比较器的输出端均接数据输出模块的输入端。

参见图9，斜波产生电路包括负载电阻r、积分电容c和运算放大器；负载电阻r的一端接电压vin1，负载电阻r的另一端同时接运算放大器的反向输入端和积分电容c的一端，积分电容c的另一端接运算放大器的输出端vramp，积分电容c的两端还并联有复位开关rst，运算放大器的同向输入端接电压vin2；电压vin1、vin2用于控制斜波产生电路所产生的斜波信号，其中电压vin1、vin2由探测装置内的分压电路产生。

数据输出模块

数据输出模块3123包括nbit计数器、列选模块、输出缓冲模块和多个存储器；多个存储器的输入端与a/d转换电路3122中的多个比较器的输出端一一对应相连，nbit计数器和列选模块分别发送控制信号给所有存储器的控制端，所有存储器的数据输出端均通过数据总线与输出缓冲模块的输入端相连，由输出缓冲模块输出用于计算相位的数字信号。

时序控制电路

时序控制电路用于控制探测装置内的行选模块和数据输出模块中的列选模块工作，时序控制电路可以采用现有模块。

如图14所示，探测装置的行选模块通过对行计数器的输出进行译码，可以得到行选信号，使能时间分别与行时钟信号的周期相同；其中row_clk为行时钟信号，图14中1、2分别表示行选通开关控制信号，q<1>至q<n>分别表示1bit计数器的输出数据，nq<1>至nq<n>表示nbit计数器的输出数据。

如图15所示，探测装置的列选模块通过对列计数器的输出进行译码，可以得到列选信号，使能时间分别与列时钟信号的周期相同；其中col_clk为列时钟信号，图15中1、2分别表示列选通开关控制信号，q<1>至q<n>分别表示1bit计数器的输出数据，nq<1>至nq<n>表示nbit计数器的输出数据。

探测装置3的工作原理：

如图7所示，每个像素单元均具有与行选模块相连的行选通地址线，该行选通地址线分别连接用于控制每个像素单元的采样电路的开关s1-s6以及复位电源vdd，其中开关s1和s2由vs1和vs2给信号，开关s3和s4由vs3和vs4给信号，其中开关s5、s6及复位电源vdd是由vrst给信号；每一列像素单元共用两根数据列线307，数据列线307的输出端依次连接列差分放大电路、a/d转换电路和数据输出模块；如图8所示，采样电路311积分结束后，a/d转换电路中的斜波产生电路开始工作，通过行选模块给出的行选信号选择将某一行像素单元内的采样电路的数据读出；

每一列像素单元对应的列差分放大电路输出的差分信号和斜波产生电路的输出信号分别送入每一列像素单元所对应的比较器的两个输入端，当比较器的输出端翻转后，在该比较器对应的存储器中存下当前nbit计数器的计数值；

斜波产生电路工作截止后，通过数据输出模块中的列选模块给出的列选信号，控制存储器中的数据依次读取到数据总线上，然后通过数据输出模块中的输出缓冲模块将数据读出到探测装置外。

测距系统的工作原理和过程：

主处理器11输出两路伪随机码序列：一路通过光源驱动电路12对光源2的光源信号进行低频(调制频率<500mhz)载波调制得到一调制信号；一路送入信号采集处理单元31用于控制采样电路311中的开关s1的启闭；

光源2的发射端通过光学系统4将透射出去的光投射到目标物体5上，其在大气介质的传输过程中，受到大气介质的吸收、散射等作用后的光信号经目标物体5反射的回波信号再经过光学系统4汇聚后投射到探测器阵列32上，信号采集处理单元31对探测器阵列32吸收的回波信号进行采集、差分放大处理、a/d转换得到数字量信号；主处理器对所述数字量信号进行计算处理后得到待测目标物的距离信息。获取距离信息的具体计算方法为：将a3·(tc-td)和a3·td在fpga中作比值，得到在已知tc的情况下即可得到td；又由于为待测目标物到探测器阵列的距离，c为光速，可以得到距离d。