激光雷达的接收机装置及激光雷达的制作方法

本发明关于激光雷达，特别是关于激光雷达的接收机装置。

背景技术：

激光雷达是一种非接触主动光学测距系统，稳定可靠对目标物体在空间内距离，大小以及强度等信息进行测量。在汽车无人驾驶，以及机器人三维视觉等领域中，激光雷达可以提供高分辨的点云数据(pointclouddata)和三维场景重建的功能，并不会受到外界因素的影响，如昼夜、温度、环境、以及天气等。

传统激光雷达系统设计，特别是接收机需要采用多款芯片。这些芯片在一个接收端系统中协同合作，从而实现物体的三维测距功能。多芯片激光雷达接收机方案的设计复杂、成本高昂、体积庞大、以及可靠性低。

所以设计一种专业用于激光雷达，具有极高集成度的激光雷达接收机系统芯片可以大大降低系统开发的复杂度和系统成本，为激光雷达系统小型化和量产化提供可靠的接收机方案。

技术实现要素：

本发明的目的：提供一种激光雷达的接收机装置，降低激光雷达接收端系统的开发难度和系统成本，提供系统的集成度从而实现系统的小型化。

为实现上述目的，根据本发明采用的一种技术方案：一种激光雷达接收机装置，芯片设计集成了(1)单光子检测器阵列，每个阵列元包括了单光子检测器、淬火与复位电路、相干判决电路、以及读出电路(2)时间数字转换器阵列，包括了时间数字转换模块、时钟产生模块、以及时钟分配模块(3)数字控制模块，包括了数据存储模块、数字信号处理模块、时序控制模块、以及芯片接口模块。

根据本申请的一种技术方案，提供一种激光雷达的接收机装置，其包含：光检测器阵列模块以接收激光回波，该光检测器阵列模块包含多个光检测器，每一个该光检测器用于根据所接收的该激光回波产生触发信号；连接至该光检测器阵列模块的时钟信号模块，包含多个时间数字转换器，每一个时间数字转换器用于接收表示激光发射的起始信号、来自该光检测器的该触发信号作为终止信号、以及高速时钟信号，利用该高速时钟信号做为基准来计算该终止信号与该起始信号的时间差，以及产生时间差数字信号；以及连接至该时钟信号模块的接收机控制模块，包含：时序控制模块，用于产生该起始信号；存储模块，用于接收来自该多个时间数字转换器所输出的时间差数字信号，并且存储为相应的多个时间差值；连接至该时序控制模块与该存储模块的处理模块，用于在收到时序控制模块的指令后，根据该多个时间差值产生多个距离信息；以及连接至该处理模块的接口模块，用于将该多个距离信息传送出去，其中上述的接收机装置设置在单一个封装体内。

在该技术方案中，为了提供高可靠性、低成本、以及小型化的接收机解决方案，其中上述的接收机装置设置在单一芯片上。

在该技术方案中，为了简化时间数字转换器的设计，其中该触发信号为电压数字信号。

在该技术方案中，为了提高激光雷达的侦测速度与效能，其中上述的光检测器更包含：单光子检测器，用于接收该激光回波，以产生该触发信号；连接至该单光子检测器的淬火与复位电路，用于当该触发信号产生之后，将该单光子检测器进行复位以等待下次的触发；以及读出电路，用于将该触发信号传送至相应的该时间数字转换器。

在该技术方案中，为了减少噪讯干扰，其中上述的光检测器更包含：连接至该单光子检测器的相干判决电路，用于当该触发信号产生之后，判断是否为噪讯所触发，当判断不是噪讯触发时，将该触发信号传送至读出电路。

在该技术方案中，为了增进侦测的精确度，其中上述的时钟信号模块更包含：时钟信号产生模块，用于产生多个该高速时钟信号，其中该多个该高速时钟信号当中的每一个高速时钟信号的相位不同，但频率相同；以及连接至该时钟信号产生模块的时钟信号分配模块，用于将该多个高速时钟信号连接至该多个时间数字转换器。

在该技术方案中，为了降低时间数字转换器的成本，其中该多个光检测器的个数大于或等于与该多个时间数字转换器的个数。

在该技术方案中，为了产生点云数据与/或三维空间数据，其中该控制模块更包含数字信号处理器，用于执行软件模块，该软件模块用于在收到时序控制模块的指令后，根据该多个时间差值产生该多个距离信息。

在该技术方案中，为了增进侦测的精确度，其中该起始信号更传送至该激光雷达的发射机装置，用于控制该发射机装置发射激光。

根据本申请的一种技术方案，提供一种激光雷达，其包含：该接收机装置；连接至该接收机装置的发射机装置，用于根据该接收机装置所传送的该起始信号发射激光；以及连接至该接收机装置的控制装置，用于接收该多个距离信息。

本申请的有益效果包含：(1)每个单光子检测器阵列元采用了单光子检测器，具有高集成度，高灵敏度等特性，提升系统的像素分辨率和激光雷达系统的测量距离。(2)每个单光子检测器阵列元采用了相干判决电路用于去除器件噪声，背景光等噪声干扰。(3)高度集成的激光雷达接收机系统芯片将探测器芯片、模拟电路芯片、时间数字转换器芯片、数字信号处理芯片、接口通信芯片都集成在一片芯片，为激光雷达系统设计提供了高可靠性、低成本、小型化的接收机解决方案。

附图说明

图1为根据本发明实施例的激光雷达的方块示意图。

图2为本发明所提供的接收机装置的方块示意图。

图3为本发明所提供的光检测器的方块示意图。

具体实施方式

本发明将详细描述一些实施例如下。然而，除了所揭露的实施例外，本发明的范围并不受该些实施例的限定，乃以其后的权利要求书为准。而为了提供更清楚的描述及使该项技艺的普通人员能理解本发明的发明内容，图示内各部分并没有依照其相对的尺寸进行绘图，某些尺寸或其他相关尺度的比例可能被凸显出来而显得夸张，且不相关的细节部分并没有完全绘出，以求图示的简洁。

请参考图1所示，其为根据本发明一实施例的激光雷达100的方块示意图。该激光雷达100包含以下的模块：用于控制整个激光雷达100的控制模块110、用于产生激光的发射机模块120、用于将激光传导发射到该激光雷达100之外的发射光路模块130、用于接收自目标对象190反射的激光回波的接收光路模块140、以及接收机装置150。

上述的控制模块110具有对外的接口，可以用于接收外界的指令以启闭激光雷达100，以及其他的控制指令。该控制模块110于接收指令之后，即控制指挥发射机模块120与接收机装置150进行相应的工作。此外，该控制模块110可以将接收机装置150所收到并且解译的目标讯息，例如关于目标对象的距离信息与强度信息回传到外界。在某些实施例当中，该控制模块110可以包含特定的逻辑电路与/或微处理机，其所执行的程序可以根据上述的目标讯息进行一或多个目标对象190的识别、跟踪、以及控制激光信号的频率/振幅/相位调变与解调变等高阶功能。

激光自发射机模块120发出的时间与自接收机装置150侦测的时间的差距，即为测量目标对象190距离的依据，因此发射机模块120与接收机装置150必须要密切配合。在本发明的实施例当中，是由接收机装置150发出信号给发射机模块120，使得双方的发射与接收的处理电路能够在时间上同步。在之后的段落当中，会提到双方同步的实施方式。

如背景技术当中提到的，当激光雷达100的体积与重量越来越小时，各个模块的集成度就要越高，以便符合更加轻便的需求。对于接收机装置150而言，将必要的元器件集成到单一芯片当中，就能满足高可靠性、低成本与小型化的需求。

请参考图2所示，其为本发明所提供的激光雷达接收机装置150的方块示意图。在某一实施例当中，该接收机装置150为单一芯片设计，所有的逻辑电路均集成在单一芯片当中。在另一实施例当中，该接收机装置150为单一封装体的设计。在单一个封装体之内包含彼此互联的复数个芯片，这些芯片可以安置在一或多个芯片载板(interposer)与/或基板(substrate)之上，其互联的电路系经由多层的载板与/或基板绕线制作。

该接收机装置150更包含三个模块，分别是光检测器阵列模块210、时钟信号模块220与接收机控制模块230。举例来说，为了缩小封装体的面积或是方便接收光路模块140的设计，可以将光检测器阵列模块210制作在一块芯片上，置于载板或基板的一面。而其余的时钟信号模块220与接收机控制模块230可以置于载板或基板的另一面。

光检测器阵列模块210包含一维或二维的阵列，具有多个光检测器212。在图2所示的实施例中，共有nxm个光检测器21211至212nm。在一般正常工作的情况下，由发射机模块120发射激光到目标对象190产生反射回波201。该光检测器阵列模块210负责接收反射回波201，将接收到的激光转换成电信号，例如是电流信号或电压信号。

请参考图3所示，其为本发明所提供的光检测器212的方块示意图。在该实施例中，每一个该光检测器212包含四个模块：单光子检测器310、连接到该单光子检测器310的相干判决电路320、连接到该单光子检测器310的淬火与复位电路330、以及连接到该相干判决电路320的读出电路340。该读出电路340又连接到该时钟信号模块220。

当反射回波201的光子撞击该单光子检测器310时，该单光子检测器310可以对所检测的光子进行计数，并且产生触发信号。该触发信号分别送到该相干判决电路320与该淬火与复位电路330。该淬火与复位电路330将该单光子检测器310进行复位以等待下次的光子触发。该相干判决电路320用于判断本次触发信号是否为噪声或是真正的激光信号所触发。如果是噪声触发，则不输出信号至该读出电路340。当相干判决该触发信号为真正的激光信号所触发，则该相干判决电路320会令该读出电路340输出相应于该触发的电压信号到该时钟信号模块220。在一实施例中，该电压信号可以为数字信号。

在一实施例当中，相干判决电路320、淬火与复位电路330与读出电路340可以不要跟着单光子检测器310形成一个元素。可以令多个单光子检测器310、相干判决电路320、淬火与复位电路330与读出电路340各自集成一个小模块，这四个小模块形成一个子阵列，再由多个子阵列集成一个完整的阵列。亦即，在一些应用中可以先组成模块阵列，再组成完整的光检测器阵列模块210，组成光检测器阵列模块210的方式是灵活的。

在一实施例当中，该相干判决电路320是可选的。亦即，该读出电路可以直接将该触发信号发送出去，而无需考虑是否为噪讯所触发。

回到图2，该时钟信号模块220包含时钟信号产生模块222，用于产生多相高速时钟信号。时钟信号产生模块222可以包含振荡器作为时钟信号的信号源，也可以接收该激光雷达100内其他模块所包含的振荡器产生的时钟信号作为信号源。由于上述光检测器阵列模块210所包含的多个读出电路340与该时钟信号模块220之间的电路长短不一，更由于产生触发信号的频率为高速，因此该时钟信号产生模块222利用信号源的时钟信号产生多个不同相位的高速时钟信号，透过时钟信号分配模块224内含的电路，分送到各个时间数字转换器226。据此，可以利用不同相位的时钟信号来解决电路长短不一所造成的相位抖动、扭曲、偏移等问题。

该时间数字转换器226用于接收来自该时钟信号分配模块224的该高速时钟信号、该读出电路340所输出的电压信号、以及来自接收器控制模块230指示激光发射时间的起始信号。利用该高速时钟信号作为基准，该时间数字转换器226可以计算出起始信号与作为终止信号的电压信号之间的时间差。该时间差可以表示为反射回波时间信息的时间差数字信号。该时间数字转换器226会将该时间差数字信号传送到该接收机控制模块230。

在某一个实施例中，该时间数字转换器226的个数与该光检测器212的个数是相当的，两者呈现一比一的关系。举例来说，由于图2的实施例具有nxm个光检测器212，因此也具有nxm个时间数字转换器226。在另一个实施例当中，为了降低时间数字转换器226的成本，可以多个光检测器212分时复用时间数字转换器226，该多个光检测器212的个数可以大于或等于与该多个时间数字转换器226的个数。

在某一个实施例当中，每一个该时间数字转换器226所接收的高速时钟信号可以具有不同相位。但在另外的实施例中，同一相位的高速时钟信号可以供应给两个以上的该时间数字转换器226。换言之，本发明并不限定高速时钟信号的相位个数与该时间数字转换器226的个数之间的关系。

该接收机控制模块230包含四个模块：时序控制模块232、存储模块234、处理模块236与接口模块238。该时序控制模块232用于产生上述的起始信号以及指示该发射机模块120发射激光的控制信号240。存储模块234用于储存来自各个时间数字转换器226输出的多个该时间差数字信号分别相应的多个时间差值。

当该时序控制模块232发出该控制信号240之后，可以令存储模块234清空所存的多个时间差值。当发出该控制信号240的一段时间后，该时序控制模块232会发出信号令该处理模块232对该多个时间差值进行处理。

该处理模块236可以包含数字信号处理器，也可以包含特定的逻辑电路设计，用于执行下列的工作。当接收到该时序控制模块232的信号通知时，该数字信号处理器所执行的指令或逻辑电路可以将该多个时间差值转换成多个距离信息。接着，依照该光检测器阵列模块210的光检测器212的排列顺序，该接口模块238会将该多个距离信息250输出至该控制装置110。该控制装置110可以根据这些距离信息250，进一步产生点云数据与/或三维场景。

在另外的实施例中，该距离信息可以输出给其他的上位机或控制系统。

上述的时序控制模块232与发射机模块120的接口可以是专属的特定接口，也可以是标准的工业界面，例如i²c、usb、pci、pci-express等。本发明只需要其规格的延迟时间能够满足激光发射的时延。

上述的接口模块238与外界的接口可以是专属的特定接口，也可以是标准的工业界面，例如i²c、usb、pci、pci-express等。本发明只需要其规格的传输速率能够满足传送距离信息与/或强度信息250即可。

根据本申请的一实施例，提供一种激光雷达的接收机装置，其包含：光检测器阵列模块以接收激光回波，该光检测器阵列模块包含多个光检测器，每一个该光检测器用于根据所接收的该激光回波产生触发信号；连接至该光检测器阵列模块的时钟信号模块，包含多个时间数字转换器，每一个时间数字转换器用于接收表示激光发射的起始信号、来自该光检测器的该触发信号作为终止信号、以及高速时钟信号，利用该高速时钟信号做为基准来计算该终止信号与该起始信号的时间差，以及产生时间差数字信号；以及连接至该时钟信号模块的接收机控制模块，包含：时序控制模块，用于产生该起始信号；存储模块，用于接收来自该多个时间数字转换器所输出的时间差数字信号，并且存储为相应的多个时间差值；连接至该时序控制模块与该存储模块的处理模块，用于在收到时序控制模块的指令后，根据该多个时间差值产生多个距离信息；以及连接至该处理模块的接口模块，用于将该多个距离信息传送出去，其中上述的接收机装置设置在单一个封装体内。

在该实施例中，为了提供高可靠性、低成本、以及小型化的接收机解决方案，其中上述的接收机装置设置在单一芯片上。

在该实施例中，为了简化时间数字转换器的设计，其中该触发信号为电压数字信号。

在该实施例中，为了提高激光雷达的侦测速度与效能，其中上述的光检测器更包含：单光子检测器，用于接收该激光回波，以产生该触发信号；连接至该单光子检测器的淬火与复位电路，用于当该触发信号产生之后，将该单光子检测器进行复位以等待下次的触发；以及读出电路，用于将该触发信号传送至相应的该时间数字转换器。

在该实施例中，为了减少噪讯干扰，其中上述的光检测器更包含：连接至该单光子检测器的相干判决电路，用于当该触发信号产生之后，判断是否为噪讯所触发，当判断不是噪讯触发时，将该触发信号传送至读出电路。

在该实施例中，为了增进侦测的精确度，其中上述的时钟信号模块更包含：时钟信号产生模块，用于产生多个该高速时钟信号，其中该多个该高速时钟信号当中的每一个高速时钟信号的相位不同，但频率相同；以及连接至该时钟信号产生模块的时钟信号分配模块，用于将该多个高速时钟信号连接至该多个时间数字转换器。

在该实施例中，为了产生点云数据与/或三维空间数据，其中该控制模块更包含数字信号处理器，用于执行软件模块，该软件模块用于在收到时序控制模块的指令后，根据该多个时间差值产生该多个距离信息。

在该实施例中，为了增进侦测的精确度，其中该起始信号更传送至该激光雷达的发射机装置，用于控制该发射机装置发射激光。

根据本申请的一实施例，提供一种激光雷达，其包含：该接收机装置；连接至该接收机装置的发射机装置，用于根据该接收机装置所传送的该起始信号发射激光；以及连接至该接收机装置的控制装置，用于接收该多个距离信息。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。