一种激光信号处理芯片和激光雷达系统的制作方法

本发明涉及微电子技术领域，尤其涉及一种激光信号处理芯片和激光雷达系统。

背景技术：

在传统激光雷达系统中，激光接收前端一般由分立的多颗芯片组成，每个芯片分别对接收到的激光信号分别进行例如信号滤波、信号多级放大、时刻鉴别、峰值采样等处理，是激光雷达系统中的核心关键部分，直接关系雷达整体系统的性能。

由于现有的激光雷达系统中的芯片包含众多的功能模块，且激光雷达回波信号极其微弱，所以极易受其他信号的串扰，产生噪声影响信号质量。同时分立器件的板级设计，导致系统复杂度升高、稳定性差、功耗高，极大的限制了雷达系统整体性能的持续提升，所以激光雷达系统接收前端的芯片化设计就显得尤为重要。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种激光信号处理芯片和激光雷达系统，用于解决现有技术中由于多个芯片级联降低激光雷达系统的检测性能等问题。

第一方面，本发明实施例提供一种激光信号处理芯片，应用于激光雷达系统中，该芯片包括：带通滤波器、跨阻放大器、信号采样电路和时刻鉴别电路，其中，所述带通滤波器与所述跨阻放大器电连接，所述跨阻放大器还分别与所述信号采样电路、所述时刻鉴别电路电连接；

所述带通滤波器，用于按照设定频率对接收到的回波电流信号进行滤波，得到滤波电流信号，将所述滤波电流信号传输给所述跨阻放大器；其中，所述回波电流信号为激光雷达系统中的光电转换器对接收到的待检测物体反射的激光信号进行转换生成的；

所述跨阻放大器，用于将接收到的所述滤波电流信号转换为回波电压信号，将所述回波电压信号分别传输给所述信号采样电路和所述时刻鉴别电路；

所述信号采样电路，用于对接收到的所述回波电压信号进行采样，得到灰度信息，并传输，所述灰度信息表征所述激光信号的强度；

所述时刻鉴别电路，用于分别对接收到的所述回波电压信号进行延时处理和衰减处理，对延时后的回波电压信号和衰减后的回波电压信号进行比较，得到所述激光信号的接收时间，并传输所述接收时间。

可选地，还包括：电压放大器，所述电压放大器分别与所述跨阻放大器、所述信号采样电路、所述时刻鉴别电路电连接；

所述电压放大器，用于按照设定放大倍数将接收到的回波电压信号的电压值进行放大，将放大后的回波电压信号传输给所述信号采样电路和所述时刻鉴别电路。

可选地，所述信号采样电路包括：模数转换器，所述模数转换器，用于将采样后的回波电压信号由模拟信号转换为数字信号，得到灰度信息。

可选地，所述信号采样电路具体用于根据以下步骤对所述回波电压信号进行采样：

采集设定周期内所述回波电压信号的电压峰值。

可选地，所述时刻鉴别电路包括：延时电路、衰减电路和比较器，所述比较器分别与所述延时电路、所述衰减电路电连接；

所述延时电路，用于对接收到的所述回波电压信号进行延时处理，将延时后的回波电压信号传输给所述比较器；

所述衰减电路，用于对接收到的所述回波电压信号的电压峰值进行衰减处理，得到衰减后的回波电压信号，将衰减后的回波电压信号传输给所述比较器；

所述比较器，用于根据接收到的所述延时后的回波电压信号和所述衰减后的回波电压信号，确定所述激光信号的接收时间。

可选地，所述比较器具体用于根据以下步骤确定所述激光信号的接收时间：

确定所述延时后的回波电压信号的图形和所述衰减后的回波电压信号的图形的交点，将该交点对应的时间确定为所述激光信号的接收时间。

可选地，所述比较器包括高速比较器。

可选地，所述回波电流信号为模拟信号。

第二方面，本发明实施例提供一种激光雷达系统，包括如上的激光信号处理芯片。

本发明实施例提供了一种激光信号处理芯片，包括：带通滤波器、跨阻放大器、信号采样电路和时刻鉴别电路，其中，所述带通滤波器与所述跨阻放大器电连接，所述跨阻放大器还分别与所述信号采样电路、所述时刻鉴别电路电连接；所述带通滤波器，用于按照设定频率对接收到的回波电流信号进行滤波，得到滤波电流信号，将所述滤波电流信号传输给所述跨阻放大器；其中，所述回波电流信号为激光雷达系统中的光电转换器对接收到的待检测物体反射的激光信号进行转换生成的；所述跨阻放大器，用于将接收到的所述滤波电流信号转换为回波电压信号，将所述回波电压信号分别传输给所述信号采样电路和所述时刻鉴别电路；所述信号采样电路，用于对接收到的所述回波电压信号进行采样，得到灰度信息，并传输，所述灰度信息表征所述激光信号的强度；所述时刻鉴别电路，用于分别对接收到的所述回波电压信号进行延时处理和衰减处理，对延时后的回波电压信号和衰减后的回波电压信号进行比较，得到所述激光信号的接收时间，并传输所述接收时间。本发明实施例提供的激光信号处理芯片，与现有的通过不同的芯片对激光信号进行处理技术相比，该激光信号处理芯片具有对接收到的激光信号的滤波处理、放大处理、采样处理、确认激光信号的接收时刻等功能，大大降低了采用多个芯片处理时多个芯片之间的级联寄生效应，减少了信号传输的延时，同时，有效降低了使用该激光信号处理装置的激光雷达系统的复杂度，提高了激光雷达系统的性能和稳定性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例所提供的一种激光信号处理芯片的第一种结构示意图；

图2示出了本发明实施例所提供的一种激光信号处理芯片的第二种结构示意图；

图3示出了本发明实施例所提供的一种时刻鉴别电路的机构示意图；

图4示出了本发明实施例所提供的一种确认激光信号的接收时间的波形图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种激光信号处理芯片，应用于激光雷达系统中，如图1所示，包括：带通滤波器12、跨阻放大器13、信号采样电路14和时刻鉴别电路15，其中，所述带通滤波器12还与所述跨阻放大器13电连接，所述跨阻放大器13还分别与所述信号采样电路14、所述时刻鉴别电路15电连接；其中，所述回波电流信号为激光雷达系统中的光电转换器对接收到的待检测物体反射的激光信号进行转换生成的；

所述带通滤波器12，用于按照设定频率对接收到的所述回波电流信号进行滤波，得到滤波电流信号，将所述滤波电流信号传输给所述跨阻放大器13；

所述跨阻放大器13，用于将接收到的所述滤波电流信号转换为回波电压信号，将所述回波电压信号分别传输给所述信号采样电路14和所述时刻鉴别电路15；

所述信号采样电路14，用于对接收到的所述回波电压信号进行采样，得到灰度信息，并传输，所述灰度信息表征所述激光信号的强度；

所述时刻鉴别电路15，用于分别对接收到的所述回波电压信号进行延时处理和衰减处理，对延时后的回波电压信号和衰减后的回波电压信号进行比较，得到所述激光信号的接收时间，并传输所述接收时间。

具体地，激光雷达系统中的光电转换器可以将接收到的待检测物体反射的激光信号转换为电流信号，该电流信号确定为回波电流信号；带通滤波器12仅可以接收激光信号中特定频段的激光信号，不属于该特定频段的信号无法进入带通滤波器，减少了其他信号对激光信号的干扰，使得接收到的激光信号的强度比较强，常用的带通滤波器可以有基尔伯特滤波器等。

跨阻放大器13的工作原理为：对运算放大器(opamp)两端的反馈电阻(rf)使用欧姆定律vout＝i×rf，实现将电流信号(i)转换为电压(vout)信号。其中，回波电流信号、滤波电流信号、回波电压信号均为模拟信号。

进一步地，所述信号采样电路14具体用于根据以下步骤对所述回波电压信号进行采样：

采集设定周期内所述回波电压信号的电压峰值。

具体地，由于待检测物体按照设定周期返回激光信号，设定周期一般与激光发射器发射的激光信号的周期一致，信号采样电路14依次采集接收到每个周期的回波电压信号。在本发明中进行采样时，回波电压信号的波形类似于高斯脉冲，一般采集该设定周期内回波电压信号的电压峰值，即回波电压信号的最高点对应的电压值。

进一步地，如图2所示，信号采样电路14还包括模数转换器141，所述模数转换器141，用于将采样后的回波电压信号由模拟信号转换为数字信号，得到灰度信息。其中，灰度信息一般为数字信号，灰度信息表征激光信号的强度。

模数转换器141即a/d转换器，或简称adc，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子器件。

信号采样电路14还包括峰值检测电路(未示出)，峰值检测电路与模数转换器141电连接，峰值检测电路用于检测所述回波电压信号的电压峰值，基于检测到的电压峰值确定采样后的回波电压信号。

本发明实施例提供的激光信号处理芯片，与现有的通过不同的芯片对激光信号进行处理技术相比，该激光信号处理芯片具有对接收到的激光信号的滤波处理、放大处理、采样处理、确认激光信号的接收时刻等功能，大大降低了采用多个芯片处理时多个芯片之间的级联寄生效应，减少了信号传输的延时，同时，有效降低了使用该激光信号处理装置的激光雷达系统的复杂度，提高了激光雷达系统的性能和稳定性。

本发明另一实施例提供了一种激光信号处理芯片，如图2所示，该激光信号处理芯片与图1提供的激光信号处理芯片相比，该芯片还包括：电压放大器16，所述电压放大器16分别与所述跨阻放大器13、所述信号采样电路14、所述时刻鉴别电路15电连接；

所述电压放大器16，用于按照设定放大倍数将接收到的回波电压信号的电压值进行放大，将放大后的回波电压信号传输给所述信号采样电路14和所述时刻鉴别电路15。

具体地，电压放大器16(voltageamplifier)是用于对接收到的电压信号的电压值进行放大的器件。常用多级放大，级联方式分直接耦合、阻容耦合和变压器耦合等，放大后的电压信号的频率响应平坦、失真小，同时也增加了使用该激光信号处理装置的激光雷达系统的远距离探测能力。

进一步地，参考图3，该装置中的所述时刻鉴别电路15包括：延时电路151、衰减电路152和比较器153，所述比较器153分别与所述延时电路151、所述衰减电路152电连接；

所述延时电路151，用于对接收到的所述回波电压信号进行延时处理，将延时后的回波电压信号传输给所述比较器153；

具体地，延时电路151用于延迟回波电压信号到达比较器153的时间。

所述衰减电路152，用于对接收到的所述回波电压信号的电压峰值进行衰减处理，得到衰减后的回波电压信号，将衰减后的回波电压信号传输给所述比较器153；

具体地，衰减电路152在对接收到回波电压信号进行衰减处理，具体为，降低回波电压信号的峰值，现有技术已有详细的介绍，此处不再进行过多说明。

所述比较器153，用于根据接收到的所述延时后的回波电压信号和所述衰减后的回波电压信号，确定所述激光信号的接收时间。

进一步地，所述比较器153具体用于根据以下步骤确定所述激光信号的接收时间：

确定所述延时后的回波电压信号的图形和所述衰减后的回波电压信号的图形的交点，将该交点对应的时间确定为所述激光信号的接收时间。

可选地，所述比较器包括高速比较器、电压比较器等，如，常见的电压比较器有lm339、lm393等；本发明对此不予限制，延时后的回波电压信号的图形和衰减后的回波电压信号的图形一般为曲线图形。

具体地，参考图4，a为比较器中接收的延时后的回波电压信号的图形，b为比较器中接收到的衰减后的回波电压信号的图形，q为延时后的回波电压信号的图形和衰减后的回波电压信号的波形的图形的交点，q点对应的时间为接收到激光信号的时间，即待检测物体反射的激光信号的接收时间。这样，降低由于回波强度变化而引起的游动误差的影响，使得确定的激光信号的接收时间比较准确。

其中，时刻鉴别电路15会将接收时间发送给激光雷达系统中的处理器，信号采样电路14会将得到的灰度信息也传输给激光雷达系统中的处理器，由激光雷达系统根据接收到上述接收时间和灰度信息，确定待检测物体的例如运动信息等。

本发明的实施例还提供了一种激光雷达系统，包括如上的激光信号处理芯片。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。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所述以权利要求的保护范围为准。