光电接收电路及具有该电路的激光测距装置的制作方法

1.本发明涉及电路技术领域，尤其涉及一种光电接收电路及具有该电路的激光测距装置。


背景技术：

2.脉冲激光雷达主要采用apd（雪崩光电二极管）作为接收装置的光电探测器，apd灵敏度高，能够探测微弱的激光脉冲信号，实现远距离探测。采用apd阵列探测，可以提高激光雷达的点云密度，提升激光雷达的角度分辨率，但是对于接收能量大的光脉冲信号，apd之间存在着信号串扰的问题，即一个apd接收到能量大的光脉冲信号，会对相邻的apd产生电串扰信号，导致没有接收到光脉冲信号的apd产生电脉冲信号。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明实施例提供一种能够避免相邻apd产生电串扰的光电接收电路及具有该电路的激光测距装置。
4.第一方面，本发明实施例提供一种光电接收电路，包括以阵列形式设置的第一雪崩光电二极管和第二雪崩光电二极管，所述第一雪崩光电二极管和第二雪崩光电二极管的一端均连接至偏压电源，所述偏压电源和第一雪崩光电二极管之间设有第一rc滤波电路，和/或，所述偏压电源和第二雪崩光电二极管之间设有第二rc滤波电路。
5.结合第一方面，在第一方面的一种实施方式中，所述第一rc滤波电路和第二rc滤波电路均为二阶rc滤波电路，所述二阶rc滤波电路包括第一滤波电阻、第一滤波电容、第二滤波电阻和第二滤波电容，其中：所述第一滤波电阻的一端连接所述偏压电源，另一端经所述第一滤波电容接地；所述第一滤波电阻的另一端同时连接所述第二滤波电阻的一端，所述第二滤波电阻的另一端经所述第二滤波电容接地，所述第二滤波电阻的另一端同时连接所述第一雪崩光电二极管或第二雪崩光电二极管。
6.结合第一方面，在第一方面的另一种实施方式中，所述第一rc滤波电路和第一雪崩光电二极管之间、以及所述第二rc滤波电路和第二雪崩光电二极管之间均设有限流保护电路，所述限流保护电路包括限流电阻。
7.结合第一方面，在第一方面的再一种实施方式中，所述限流电阻的阻值为50-200欧姆，优选100欧姆。
8.结合第一方面，在第一方面的又一种实施方式中，所述第二滤波电容为储能电容器，所述第二滤波电容的电容值为100-300pf，优选220pf。
9.结合第一方面，在第一方面的又一种实施方式中，所述第一滤波电阻、第一滤波电容和第二滤波电阻组成为所述第二滤波电容充电的充电电路，所述第一滤波电容的电容值为5-20nf，优选10nf，所述第一滤波电阻和第二滤波电阻的阻值分别是5-15k欧姆，优选10k欧姆和0.5-1.5k欧姆，优选1k欧姆。
10.第二方面，本发明实施例提供一种激光测距装置，包括上述的光电接收电路。
11.结合第二方面，在第二方面的一种实施方式中，所述激光测距装置包括激光发射单元、扫描单元、接收单元和控制单元，其中：所述激光发射单元负责产生纳秒级的窄脉冲激光，并将脉冲激光准直输出；所述扫描单元用于实现激光雷达水平和垂直方向的扫描探测；所述接收单元包括接收透镜、前端接收电路和信号调理电路，所述前端接收电路用于接收目标反射的脉冲回波，经过所述信号调理电路处理后输出至所述控制单元计算目标距离；所述前端接收电路包括权利要求1-6中任一所述的光电接收电路；所述控制单元负责控制所述激光发射单元发射脉冲激光，然后控制所述扫描单元扫描实现对目标的扫描探测，最后通过读取所述接收单元的脉冲回波信号并计算距离，实现激光雷达的点云显示。
12.结合第二方面，在第二方面的另一种实施方式中，所述扫描单元由多面棱镜和振镜组成，所述多面棱镜用于实现水平方向的扫描，所述振镜用于实现垂直方向的扫描。
13.结合第二方面，在第二方面的再一种实施方式中，所述前端接收电路中在所述光电接收电路后方依次连接有跨阻放大电路、二级放大电路和比较电路。
14.本发明实施例的光电接收电路及具有该电路的激光测距装置，由于光电探测单元（即雪崩光电二极管）前端采用rc滤波电路，一方面可以减少偏压电源的噪声耦合到光电探测单元对输出信号产生影响，另一方面可以消除光电探测单元之间电信号的耦合干扰，尤其是可以有效的滤除一个光电探测单元接收到大能量光脉冲信号后产生的大脉冲电流信号对相邻光电探测单元的串扰信号，防止被串扰的通道产生虚假的信号输出，消除后端处理产生的误判影响。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它的附图。
16.图1为本发明的光电接收电路实施例的电路结构示意图。
17.图2为本发明的激光测距装置实施例的电路结构示意图。
18.图3为图2中接收单元的结构示意图，其中（a）为apd光电探测器的结构图，（b）为接收透镜和apd光电探测器的相对位置关系图。
19.图4为图2中接收单元的电路结构示意图。
具体实施方式
20.下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
21.应当明确，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
22.一方面，本发明实施例提供一种光电接收电路，如图1所示，包括以阵列形式设置
的第一雪崩光电二极管d1/apd1和第二雪崩光电二极管d2/apd2，第一雪崩光电二极管d1和第二雪崩光电二极管d2的一端均连接至偏压电源vcc_apd1（图中是以雪崩光电二极管的负极连接至正偏置电压为例进行说明），偏压电源vcc_apd1和第一雪崩光电二极管d1之间设有第一rc滤波电路，和/或，偏压电源vcc_apd1和第二雪崩光电二极管d2之间设有第二rc滤波电路。
23.为提高滤波效果，优选的，第一rc滤波电路和第二rc滤波电路均为二阶rc滤波电路，二阶rc滤波电路包括第一滤波电阻r1/r4、第一滤波电容c1/c3、第二滤波电阻r2/r5和第二滤波电容c2/c4，其中：第一滤波电阻的一端连接偏压电源，另一端经第一滤波电容接地；第一滤波电阻的另一端同时连接第二滤波电阻的一端，第二滤波电阻的另一端经第二滤波电容接地，第二滤波电阻的另一端同时连接第一雪崩光电二极管或第二雪崩光电二极管。
24.图1所示实施例中，r1、c1、r2、c2组成第一雪崩光电二极管d1的二阶rc滤波电路，r4、c3、r5、c4组成第二雪崩光电二极管d2的二阶rc滤波电路，apd的偏置电压vcc_apd1经过图1所示的r1、c1、r2、c2组成的二阶rc滤波电路后加到第一雪崩光电二极管d1上，同样，apd的偏置电压vcc_apd1经过图1所示的r4、c3、r5、c4组成的二阶rc滤波电路后加到第二雪崩光电二极管d2上。
25.r1、c1、r2、c2组成的二阶rc滤波电路可以滤除偏压电源vcc_apd1的噪声，减少偏压电源vcc_apd1的噪声耦合到光电探测单元（即雪崩光电二极管）d1中，进而减少光电探测单元d1输出的噪声；r4、c3、r5、c4组成的二阶rc滤波电路可以滤除偏压电源vcc_apd1的噪声，减少偏压电源vcc_apd1的噪声耦合到光电探测单元（即雪崩光电二极管）d2中，进而减少光电探测单元d2输出的噪声；r1、c1、r2、c2组成的二阶rc滤波电路和r4、c3、r5、c4组成的二阶rc滤波电路可以消除光电探测单元d1和d2之间的耦合干扰。比如当光电探测单元d1接收到大的光脉冲后产生大的电流脉冲信号，因为r1、c1、r2、c2组成的二阶rc滤波电路和r4、c3、r5、c4组成的二阶rc滤波电路的存在可以消除对光电探测单元d2的耦合干扰，防止在光电探测单元d2的输出端输出干扰信号。同样，当光电探测单元d2接收到大的光脉冲后产生大的电流脉冲信号，由于上述rc滤波电路的存在可以消除对光电探测单元d1的耦合干扰，防止在光电探测单元d1的输出端输出干扰信号。
26.本发明实施例的光电接收电路，由于光电探测单元（即雪崩光电二极管）前端采用rc滤波电路，一方面可以减少偏压电源的噪声耦合到光电探测单元对输出信号产生影响，另一方面可以消除光电探测单元之间电信号的耦合干扰，尤其是可以有效的滤除一个光电探测单元接收到大能量光脉冲信号后产生的大脉冲电流信号对相邻光电探测单元的串扰信号，防止被串扰的通道产生虚假的信号输出，消除后端处理产生的误判影响。
27.发明人在研究过程中发现，如果apd接收的光脉冲非常强，apd会产生很大的光生载流子，导致apd的pn结过热而损坏apd。为避免该问题，优选的，第一rc滤波电路和第一雪崩光电二极管d1之间、以及第二rc滤波电路和第二雪崩光电二极管d2之间均设有限流保护电路，限流保护电路包括串接的限流电阻r3、r6。为较好的实现限流作用，限流电阻r3、r6的
阻值可以为50-200欧姆，优选100欧姆。
28.由于光电探测单元（即雪崩光电二极管）前端采用了限流保护电路，可以有效防止光电探测单元接收到大能量光脉冲信号后产生大脉冲电流信号，从而防止光电探测单元的pn结由于过热而烧毁。
29.图1所示实施例中，r3是第一雪崩光电二极管d1的限流电阻，r6是第二雪崩光电二极管d2的限流电阻。当apd光电探测单元d1接收到大的光脉冲后产生大的电流脉冲信号，该电流脉冲会在电阻r3上产生压降，导致apd光电探测单元d1的阳极和阴极两端施加的偏置电压降低，使得apd光电探测单元d1增益降低，d1产生的电流脉冲大小得到限制，不会因为电流过大而损坏光电探测单元d1，起到保护作用。
30.同样，当apd光电探测单元d2接收到大的光脉冲后产生大的电流脉冲信号，该电流脉冲会在电阻r6上产生压降，导致apd光电探测单元d2的阳极和阴极两端施加的偏置电压降低，使得apd光电探测单元d2增益降低，d2产生的电流脉冲大小得到限制，不会因为电流过大而损坏光电探测单元d2，起到保护作用。
31.在一些实施例中，第二滤波电容c2、c4优选为储能电容器，第二滤波电容c2、c4的电容值可以为100-300pf，优选220pf。这样能够形成储能电路，在光电探测单元（即雪崩光电二极管）接收到大的能量光脉冲信号产生大的脉冲电流信号后，脉冲电流会流过限流电阻，在限流电阻产生压降，这会导致光电探测单元的偏压被拉低，储能电路能够在下个测量周期前快速提供电荷，恢复光电探测单元的偏压，保证光电探测单元可以恢复到正常测量状态。
32.图1所示实施例中，c2可以作为储能电容器，当apd光电探测单元d1接收到大的光脉冲后产生大的电流脉冲信号，导致d1两端的偏置电压降低，储能电容器c2能够在下个测量周期前快速提供电荷，恢复光电探测单元d1两端的偏置电压，保证光电探测单元d1可以恢复到正常测量状态；同样，c4可以作为储能电容器，当apd光电探测单元d2接收到大的光脉冲后产生大的电流脉冲信号，导致d2两端的偏置电压降低，储能电容器c4能够在下个测量周期前快速提供电荷，恢复光电探测单元d2两端的偏置电压，保证光电探测单元d2可以恢复到正常测量状态。
33.在进一步的实施例中，第一滤波电阻r1/ r4、第一滤波电容c1/c3和第二滤波电阻r2/ r5组成为第二滤波电容c2/c4充电的充电电路，第一滤波电容的电容值可以为5-20nf，优选10nf，第一滤波电阻和第二滤波电阻的阻值分别是5-15k欧姆，优选10k欧姆和0.5-1.5k欧姆，优选1k欧姆。在光电探测单元（即雪崩光电二极管）接收到大的能量光脉冲信号产生大的脉冲电流信号后，限流保护电路和储能电容器形成的储能电路作用后，储能电路的电容器电荷减少，充电电路可以快速的对储能电容器进行电荷补充，保证光电探测单元的正常工作。
34.图1所示实施例中，r1、c1、r2组成为c2充电的充电电路，当apd光电探测单元d1接收到大的光脉冲产生大的电流脉冲信号后，储能电容器c2电荷减少，r1、c1、r2组成的充电电路可以快速的对储能电容器c2进行电荷补充，保证光电探测单元d1的正常工作；同样，r4、c3、r5组成为c4充电的充电电路，当apd光电探测单元d2接收到大的光脉冲产生大的电流脉冲信号后，储能电容器c4电荷减少，r4、c3、r5组成的充电电路可以快速
的对储能电容器c4进行电荷补充，保证光电探测单元d2的正常工作。
35.另一方面，本发明实施例提供一种激光测距装置，包括上述的光电接收电路。由于光电接收电路的结构与上相同，故此处不再赘述。
36.本发明实施例的激光测距装置，由于光电探测单元（即雪崩光电二极管）前端采用rc滤波电路，一方面可以减少偏压电源的噪声耦合到光电探测单元对输出信号产生影响，另一方面可以消除光电探测单元之间电信号的耦合干扰，尤其是可以有效的滤除一个光电探测单元接收到大能量光脉冲信号后产生的大脉冲电流信号对相邻光电探测单元的串扰信号，防止被串扰的通道产生虚假的信号输出，消除后端处理产生的误判影响。
37.如图2所示，优选的，激光测距装置（具体可以为激光雷达系统100）包括激光发射单元200、扫描单元300、接收单元400和控制单元500，其中：激光发射单元200负责产生纳秒级的窄脉冲激光，并将脉冲激光准直输出；扫描单元300用于实现激光雷达水平和垂直方向的扫描探测；扫描单元300具体可以由多面棱镜和振镜组成，多面棱镜用于实现水平方向的扫描，振镜用于实现垂直方向的扫描，多面棱镜和振镜的组合即可实现激光雷达水平和垂直方向的扫描探测；接收单元400包括接收透镜、前端接收电路和信号调理电路，前端接收电路用于接收目标反射的脉冲回波，经过信号调理电路处理后输出至控制单元500计算目标距离；前端接收电路包括上述的光电接收电路；控制单元500负责控制激光发射单元200发射脉冲激光，然后控制扫描单元300扫描实现对目标的扫描探测，最后通过读取接收单元400的脉冲回波信号并计算距离，实现激光雷达的点云显示。
38.激光测距装置开始工作时，控制单元500控制激光发射单元200发射窄脉冲激光，然后该脉冲激光经过振镜和多面棱镜反射后射向目标，经过目标反射并由接收透镜汇集后由接收单元400前端接收电路中的光电探测器阵列接收产生回波信号，然后经接收单元400处理后输出至控制单元500完成目标距离计算，同时控制单元500获取了振镜和棱镜的角度数据，经过解算可以获得目标的三维点云信息，通过振镜和棱镜的连续扫描，控制单元500可以实时解算目标的点云信息，最后发送至上位机实时显示目标的点云数据。
39.其中，接收单元400前端接收电路中的光电探测器/单元可以是硅基、ingaas等不同材料的光电探测器；光电探测器可以是线列光电探测器、面阵光电探测器等多种类型的光电探测器。
40.图3为本发明实施例激光测距装置中接收单元的结构示意图，如图3所示，接收单元400的光电探测电路采用基于ingaas的apd光电探测器/单元，具体可以采用to（transistorout-line，晶体管外形）封装，apd光电探测器401是由两个apd芯片402线性排列构成；两个apd芯片402以固定的中心间距排列，接收透镜403将激光发射单元200的两束激光经目标反射后的脉冲激光404分别汇聚至两个apd芯片402的光接收面上。接收透镜403可以集成固定在接收结构件上；接收透镜403的位置不变，可以通过调节apd光电探测器401相对于接收透镜403的三个维度的位置，实现接收apd光轴和发射光轴的校准。
41.图4为本发明实施例激光测距装置中接收单元的电路结构示意图，如图4所示，接收单元400的前端接收电路优选由上述的光电接收电路（即图中的apd光电接收电路）、tia电路、二级（增益）放大电路和比较电路组成，其中：
apd光电接收电路将目标返回的光脉冲信号转换为电流脉冲信号；tia电路是跨阻放大电路，可以将apd输出的电流脉冲信号进行放大，并转换成电压信号输出；二级放大电路可以对tia输出的信号进行二次放大，提升信号幅值；经过apd、tia、二级放大后，可以将从目标返回的微弱的光脉冲信号放大为经过比较电路后可以检测出来的脉冲信号，保证后级电路的识别处理。
42.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
43.本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。为了描述的方便，描述以上装置是以功能分为各种单元/模块分别描述。当然，在实施本发明时可以把各单元/模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
44.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，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权利要求的保护范围为准。