光电探测装置、相应的激光雷达及探测方法与流程

1.本公开大致涉及光电技术领域，尤其涉及一种光电探测装置、相应的激光雷达及探测方法。


背景技术：

2.单光子探测技术具有超高灵敏度、超快响应速度等优点，能够检测到光的最小能量粒子，是目前一种较为重要的探测方法。单个光子的能量极小，要想检测到单光子，就必须采用特殊的光电器件。单光子雪崩二极管是特指工作电压高于击穿电压的雪崩光电二极管(avalanche photo diode,apd)，工作在盖革模式下的雪崩光电二极管又被称作单光子雪崩二极管(single photon avalanche photo diode,spad)。spad以其高雪崩增益、快响应速度、低功耗等优点成为单光子探测的最佳器件选择。spad基于碰撞电离和雪崩倍增的物理机制对光电流进行放大，从而提高检测的灵敏度。盖革模式下，spad 的工作电压大于其雪崩击穿电压，这样能够保证即使单个光子入射激发出的载流子也能引起雪崩效应。激发的载流子漂移进入耗尽层，在spad中强电场的作用下，载流子被瞬间加速并获得足够的能量，不断地与晶格发生碰撞，新产生的载流子继续在电场的作用下撞击晶格，又会产生新的载流子，如此连锁反应，使得载流子的数量雪崩式增加，反向电流在纳秒甚至亚纳秒内上升至毫安培量级。然而雪崩是一种自维持行为，spad本身并不能自发地将其淬灭。为了保护spad，以免器件被大电流损坏，spad必须和淬灭电路配合使用，在雪崩发生后迅速将spad的偏压降至击穿电压以下，将雪崩淬灭，并快速再将spad的偏压拉回击穿电压以上，使得spad恢复到待检测光子的状态。因此，每探测到一个单光子，spad会倍增输出一个自然离散的电脉冲信号，再利用外围电路实现信号甄别并计数就能将湮没在噪声中的有用信号识别并提取出来。
3.目前，在激光雷达测距应用中的spad单元可分为两类，主动淬灭和被动淬灭。被动淬灭的spad单元如图8a所示。当光子到达时，图8a中被偏置在盖革模式下的二极管1触发雪崩，产生图8b中的雪崩电流aec，雪崩电流aec 在淬灭电阻r上产生电压(图8b中波形p2)，而后雪崩被淬灭，节点2被淬灭电阻r放电回地电位，二极管1重新回到盖革偏置区域。节点2的波形经过缓冲器后变成有一定驱动能力的数字脉冲p3(节点3)，输出给后级处理电路。缓冲器通常由多级反相器构成，翻转阈值固定。这个过程中可知spad存在死时间。主动淬灭的spad单元如图9a所示。当光子到达时，被偏置在盖革模式下的二极管1触发雪崩，产生图9b中的雪崩电流aec，此时连接二极管阳极和地的nmos管截止(因为nmos的栅极g的电压为0v),nmos处于高阻的状态，雪崩电流在nmos管漏极产生电压，而后雪崩被淬灭。节点2维持高电平(图9b中的波形p2)，直到经过时延t
delay
(典型值为几ns到几十ns)，高电平传播到栅极g(图9b中的波形pg)，使得nmos导通，节点2被放电到 0v，二极管重新回到盖革偏置区域。节点2的脉冲宽度近似等于tdelay的时长，而节点2的波形经过缓冲后变成有一定驱动能力的数字脉冲p3(节点3)，输出给后级处理电路。波形p3中的虚线部分表示spad的死时间，在虚线对应的时间段内，由于nmos管持续导通将节点2拉到地电位，电路不处于正常工作、等
待光子到达的状态中，这段时间被视为死时间，直到nmos管回到截止状态，电路重新回复到工作状态。
4.不管是主动淬灭还是被动淬灭，spad单元都有一个时间段处于电路未正常工作、无法测量光子的状态中。spad不能探测光子的这段时间叫做死时间 (dead time)。基于spads器件的自身特性，死时间是无法避免的，而由于死时间的存在，导致采用spad技术的探测器件的动态范围受限于其实际所采用的spad探测器的数量。其中，动态范围是用来描述spads器件接收光子的能力的物理量。例如，假定一个spads探测单元包括10x10个spad探测器构成的spads阵列，那么该探测单元一次最多可接收100个光子。亦即该探测单元的动态范围为1-100。如果一次接收的回波超过100个光子，如200或者更多个光子的时候，由于探测单元中的100个探测器都已经进入死时间，其余多的光子无法被测量。如果希望能够准确的测出所获得回波的光强，当前只能通过扩充探测单元中所用的spad探测器的数量，例如，将其扩充为20*10 的阵列，以实现对一次回波200个光子的测量等。
5.而对于采用硅光电倍增管(silicon photomultiplier，简称sipm)的光电探测器来说，通常该种光电探测器采用多个sipm单元(或可称为一个 pixel)来实现，每个sipm单元采用多个并联的spad(参考图10a和图10b，图10a示意出了当前的一种sipm的电路实现方式；图10b示意出了当前另一种具有快速输出的sipm的电路实现方式)。并根据阵列整体一次接收到光子总量叠加电流输出一个脉冲，虽然其不会由于阵列中个别spad的死时间而影响测量，但显然，该光电探测器动态范围的上限也受到所采用的的sipm单元本身所采用的spad个数的限制。
6.显然，该种方式下，如果要构建具有足够大的动态范围的探测单元，需要更多的spad探测器，器件成本增加，同时，由于器件数量增加，其相应的功耗也会极大的增加。当需要测量的信号光的光强极大时，其相应需要的探测单元的成本和功耗会变得非常大。背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。


技术实现要素：

7.本发明提出一种具有大动态范围的激光雷达接收端，提高了单光子探测过程中接收端动态范围小的问题。
8.有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明提出一种光电探测装置，包括：
9.探测部，所述探测部可接收入射光的单光子并转换为电信号；
10.滤光部，所述滤光部设置在所述探测部的光路上游，以对入射至所述探测部的光束的光子进行过滤；
11.处理单元，所述处理单元配置成可根据所述电信号与所述滤光部的透过率，确定所述入射光的实际光强。
12.根据本发明的一个方面，所述探测部包括多个探测单元，所述滤光部包括多个透过率不同的滤光单元；并且，所述多个探测单元中至少有两个所述探测单元分别对应不同透过率的滤光单元。
13.根据本发明的一个方面，所述探测部的多个探测单元根据其对应的滤光单元的峰值透过率由低到高分别对应多个级别，其中，当级别较高的探测单元的连续饱和次数超过预定阈值时，采用级别较低的探测单元的探测信息进行测量。
14.根据本发明的一个方面，所述探测单元采用以下任一种来实现：
[0015]-sipm单元；
[0016]-spads阵列。
[0017]
根据本发明的一个方面，所述各个探测单元中分别包括多个探测器，所述探测器为单光子雪崩二极管，且各个所述探测器可分别单独寻址，其中，所述多个探测单元中包括至少一个探测单元，所述至少一个探测单元中的多个探测器可对应多个具有不同透过率的滤光单元。
[0018]
根据本发明的一个方面，每个探测单元包括多组探测器，每个组的光路上游分别设置具有不同透过率的滤光单元。
[0019]
根据本发明的一个方面，所述滤光单元由窄带滤光片来实现。
[0020]
本发明还提供一种激光雷达，包括：
[0021]
发射单元，所述发射单元配置成发射探测激光束用于探测目标物；
[0022]
接收单元，所述接收单元包括如所述的光电探测装置，所述光电探测装置配置成可接收所述探测激光束在目标物上反射后的回波。
[0023]
本发明还提供一种激光雷达的探测方法，所述激光雷达如前所述，其中，所述方法包括以下步骤：
[0024]
发射探测光束；
[0025]
所述光电探测装置的所述滤光部对与所述探测光束对应的回波进行过滤；
[0026]
所述光电探测装置的所述探测部接收过滤后的回波，并将其转换为电信号；
[0027]
所述光电探测装置的所述处理单元，根据所获得的电信号以及相应的所述滤光部的透过率，确定所述回波的实际光强。
[0028]
本发明的实施例通过为激光雷达中的探测部设置一个或多个透过率不同的滤光单元，突破了探测部本身器件动态范围的限制。在探测部所采用的器件身的动态范围不变的情况下，亦即，在不增加成本和功耗的情况下，扩大了激光雷达接收端整体的动态范围；进而提高激光雷达的整体性能。
附图说明
[0029]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0030]
图1示出了根据本发明一个实施例的光电探测装置的示意图；
[0031]
图2示出了根据本发明另一个实施例的光电探测装置的示意图；
[0032]
图3示出了根据本发明另一个实施例的光电探测装置的示意图；
[0033]
图4示出了根据本发明一个实施例的激光雷达的框图；和
[0034]
图5示出了根据本发明一个实施例的激光雷达探测方法的流程图；
[0035]
图6示意出了根据本发明一个实施例的光电探测装置的多个探测单元的一种分布方式；
[0036]
图7示意出了根据本发明一个实施例的光电探测装置的多个探测单元的又一种分布方式；
[0037]
图8a示意出了当前的一种被动淬灭spad探测器电路示意图；图8b示意出了与图8b
相应的电路的脉冲图；
[0038]
图9a示意出了当前的一种主动淬灭spad探测器电路示意图；图9b示意出了与图9a相应的电路的脉冲图；
[0039]
图10a示意出了当前的一种sipm的电路实现方式；图10b示意出了当前另一种sipm的电路实现方式。
具体实施方式
[0040]
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
[0041]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、" 长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、 "水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"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，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"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0042]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语" 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，也可以是电连接或可以相互通讯；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0043]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上" 或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0044]
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
[0045]
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0046]
图1示出了根据本发明一个实施例的光电探测装置100的框图，下面结合图1对所述光电探测装置100作详细说明。
[0047]
如图1所示，所述光电探测装置100包括探测部10、滤光部20和处理单元30。其中所述探测部10可接收入射的单光子并转换为电信号，所述滤光部20设置在所述探测部10的光路上游，以对入射至所述探测部10的光子 (图中的光束l1)进行过滤。滤光部20具有一定的透过率，因此可以过滤掉一部分光子，剩余的光子(图中的光束l2)入射到探测部10，并被探测部 10转换为电信号。处理单元30与所述探测部10耦接并接收该电信号，并且配置成可根据所述电信号与所述滤光部20的峰值透过率，确定所述入射光的实际光强。
[0048]
其中，每个探测器可采用具有单光子探测能力的光电探测器来实现。其中探测部10可包括多个可被寻址的探测单元。优选地，根据本发明的所述探测单元可以采用spads阵列或sipm单元来实现。
[0049]
其中，spads阵列由多个可单独寻址的spad器件组成；而sipm单元由多个并联的spad器件形成。对于spads阵列，其中每个spad器件都可以单独进行探测，并单独寻址，因此可以通过对spads阵列中的每个spad器件的输出进行检测，判断spads阵列所接收到的光子数，结合所述滤光部20的峰值透过率，确定实际入射的光子数，进而确定光强。而对于sipm探测单元，可以基于每个探测单元输出脉冲的峰值，结合滤光部20的透过率来确定光强，下文将详细说明。
[0050]
本领域技术人员应可理解，此处所述单光子雪崩二极管仅为举例，其他类型的具有单光子探测能力的光电探测器，及其构成的阵列，也应包含于本发明范围内。
[0051]
其中，根据本发明的一个实施例，滤光部可采用滤光片，或称之为衰减片等器件来实现。优选地，可采用与激光雷达的脉冲信号光的带宽相对应的窄带滤光片来实现。更优选地，本发明所述的滤光部可采用分别具有不同峰值透过率的多种窄带滤光片来实现。
[0052]
本领域技术人员可以理解，可利用当前已有的滤光片生产工艺，诸如离子辅助沉积(iad,ion assisted deposition)工艺，通过在沉积中用离子源直接轰击待镀膜片，来生产本发明中所需的滤光片等。
[0053]
由于滤光片的峰值透过率可能受到该滤光片的光学厚度等因素的影响，因此，可通过调整滤光片的光学厚度来获得不同峰值透过率的滤光片；或者，通过直接调整诸如折射率、物理厚度等影响光学厚度的因素来获得不同峰值透过率的滤光片。
[0054]
根据本发明的一个具体实施例，假设所述探测部10包括10x10的spad 面阵，探测部10本身的动态范围为0-100；滤光部20的透过率为50％，亦即对于到达滤光部20的光子，有50％的光子可透射通过滤光部20，而余下50％被滤光部20过滤掉。到达光电探测装置100的回波经过滤光部20过滤后，到达探测部10。如果探测部10输出100个光子的电信号，处理单元30根据该100个光子对应的电信号，并结合滤光部20的透过率50％，确定当前实际到达光电探测装置100的光子数为200个。
[0055]
亦即，光电探测装置100的动态范围可被扩展至0-200，是其所采用的探测部10本身的动态范围的两倍。
[0056]
相似地，也可以采用sipm阵列作为探测部的探测单元。当采用sipm阵列作为探测单元时，每一个sipm的光路上游可设置有一个滤光片，滤光片的透过率是已知的，基于该sipm的输出脉冲的峰值，结合对应的滤光片的透过率，可以确定入射光的光强。因此在采用sipm和滤光片的组合后，结合滤光片和输出的脉冲的峰值，可以获得真正的脉冲强度。
[0057]
由于sipm阵列采用多个并联的spad，并根据阵列所接收到的总的光子量，输出相
应的脉冲。由于sipm阵列中的spad器件数量较多，因此通常其不会由于阵列中个别spad的死时间而影响测量，但是显然，sipm阵列的动态范围的上限也受到阵列内部spad个数的限制。
[0058]
本领域技术人员容易了解，由于spad探测其容易饱和的特性，在不采用滤光部20时，无论实际入射的回波是100个光子，还是200个光子，其探测部10均只能输出100个光子的电信号。亦即，处理单元30将无法判断实际的回波光强到底是100个光子还是200个光子。
[0059]
而通过采用诸如本方案的滤光部20后，回波的光强被减弱至探测单元 10能够检测的范围，并且，由于滤光部的透过率可知，故而可基于所检测到的光子数量和滤光部的透过率，来反推回波的实际光强。进而实现基于现有的探测单元，测量出更强的光强的回波的效果。本领域技术人员可以理解，本说明书中所述的探测单元所包含的spad探测器的数量仅为说明清楚而作的举例，实践中一个探测单元可能包含更多或更少的探测器。
[0060]
根据本发明的一个优选实施例，如上所述的光电探测装置100，其中所述探测部10可以由多个探测单元构成，共同构成探测部10的探测表面。相应地，所述滤光部20包括多个滤光单元，分别与该多个探测单元相对应。其中，该多个滤光单元的透过率可为以下任一种：
[0061]
1)该多个滤光单元中各个滤光单元的透过率均相同，或者，
[0062]
2)该多个滤光单元中部分滤光单元的透过率不同；
[0063]
例如，在其中一部分探测单元光路上游布置的滤光单元的透过率为50％，而在其余的探测单元光路上游布置的滤光单元的透过率为20％等。
[0064]
3)该多个滤光单元中各个滤光单元的透过率均不相同。
[0065]
与此相对应的，根据该实施例的每个探测单元的输出可以被单独读取，从而处理单元30可根据每个探测单元所输出的电信号、以及该探测单元所对应的滤光单元的透过率，计算出入射到该探测单元的区域内的光子的数目，将多个探测单元的光子数目累加，即可计算出实际入射的总光子数目。
[0066]
根据本发明的第一优选实施例，参考图2。图2中示出了根据本发明一个优选实施例的光电探测装置100a，同样包括探测部10、滤光部20和处理单元30(未示出)。其中，所述探测部10由8x8的探测器的面阵构成，每个探测器可对入射的单光子做出响应。探测部10包括4个探测单元，分别为 10-1、10-2、10-3、10-4，其中每个探测单元包括16个探测器。每个探测单元对应一个视场范围。与多个探测单元相对应的，所述滤光部20同样包括四个滤光单元，分别为20-1、20-2、20-3、20-4，分别设置在探测单元10-1、 10-2、10-3、10-4的光路上游，如图2中虚线方框所示。该四个滤光单元的透过率例如彼此都不同，分别为70％、90％、30％以及50％。通过这样的方式，可以极大地扩展探测光电探测装置的动态范围。
[0067]
根据本发明的又一个优选实施例，光电探测装置中所述各个探测单元由探测器的线阵或者面阵构成，其中各个探测器可分别单独寻址。根据本发明的一个实施例，在同一个探测单元所包括的多个探测器中，所对应的滤光单元的峰值透过率也可以是不同的。
[0068]
优选地，所述多个探测单元中包括至少一个探测单元，所述至少一个探测单元中的多个探测器可对应多个具有不同透过率的滤光单元。例如，每个探测器都可设置为对应一个滤光单元，多个探测器分别对应的多个滤光单元的透过率不同；又例如，多个探测器分别组成多个探测器组，其中各个探测器组分别对应一个滤光单元，并且，该多个探测器组分
别对应的各个滤光单元的透过率不同。
[0069]
可选的，图2中的探测单元10-1、10-2、10-3、10-4均可以由各个sipm 阵列来实现。以探测单元10-1为例，其可采用包括16个并联的spads的sipm 阵列来实现，其余探测单元亦如此实现，此处不再赘述。相应的，该各个探测单元10-1、10-2、10-3、10-4分别对应的滤光单元20-1、20-2、20-3、 20-4可具有不同的透过率，如上所述分别为70％、90％、30％以及50％。则处理单元30分别读取每个探测单元10-1、10-2、10-3、10-4的输出脉冲，根据各个探测单元的输出脉冲的峰值，并根据相对应的滤光单元的透过率，即可确定入射光的脉冲强度。
[0070]
根据本发明的一个实施例，其中至少一个探测单元中的多个探测器可对应多个具有不同透过率的滤光单元。下面参考图3详细描述。
[0071]
根据本发明的第二优选实施例，参考图3。
[0072]
图3示出了根据本发明一个实施例的光电探测装置100b的示意图，同样包括探测部10、滤光部20和处理单元30(未示出)。如图3所示，所述探测部10由8x8的spads面阵构成，该spads面阵包括4个探测单元，分别为 10-1'、10-2'、10-3'、10-4'，其中每个探测单元包括四组探测器，每组探测器分别包括4个spad(如图3中分别标有1、2、3、4的2*2的区域)。亦即所述的每个探测单元10-1'、10-2'、10-3'、10-4'具有16个spad，其中每个探测单元可对应一个视场范围。
[0073]
其中，以探测单元10-1'为例，其中的探测器可对应多个具有不同透过率的滤光单元。如图3所示，探测单元10-1'对应四个滤光单元，分别为20-11、 20-12、20-13、20-14，分别相应地设置于探测单元10-1'的四组探测器1、2、 3、4的光路上游。该四个滤光单元为20-11、20-12、20-13、20-14的透过率依次分别为20％、90％、5％以及50％。
[0074]
通过采用多种峰值透过率的滤光单元，可以在扩大探测单元的活性范围的同时，还能保持其具有更高的精确度。
[0075]
继续对前述第二实施例进行说明，包括16个spad探测器的探测单元 10-1'，其探测到的光子数m＝[50％n/4] [20％*n/4] [90％*n/4] [5％*n/4]；其中，m为探测单元10-1'实际探测到的光子数，n为实际入射至该探测单元10-1'的光子数。当获得探测单元10-1'所输出的光子计数后，基于对应的取整函数，可以获得一个较为精确的入射光子数n的可能取值或取值集合。
[0076]
本领域技术人员可以理解，图3中仅示意性示出了探测单元10-1'所对应的滤光单元，其余的探测单元10-2'、10-3'、10-4'所对应的滤光单元，其透过率可以是相同的，也可以是不同的，这些都在本发明的保护范围内。
[0077]
根据该实施例的方案，通过在探测单元(亦即各个像素pixel)内部对各个探测器寻址，分别获取像素内不同区域所获得的光子数，进而得到整个像素对应的光子数，由此提升每个探测单元的探测精度。
[0078]
根据上述原理，通过对每组探测器或探测单元设置不同的滤光片则可以得到一个动态范围较大且具有较好精度的回波探测部。
[0079]
通过本发明，使用数目较少的探测器就能够实现大动态范围的回波探测。与现有技术相比，实现同样的动态范围的探测，其所需的器件成本更低，功耗更小。
[0080]
本发明还涉及一种激光雷达，如图4示出的根据本发明一个实施例的激光雷达400
的框图，所述激光雷达400包括发射单元410和接收单元420，其中所述发射单元410配置成发射探测激光束l1用于探测目标物ob，所述接收单元420包括所述光电探测装置100，并配置成接收所述探测激光束在目标物ob上反射的回波l1’并输出回波信号。
[0081]
根据本发明的一个优选实施例，所述探测部的多个探测单元根据其对应的滤光单元的峰值透过率由高到低对应多个级别，其中，当对应峰值透过率较高的级别的探测单元的连续饱和次数超过预定阈值时，使用级别较低的探测单元的探测信息进行探测。
[0082]
结合图6和图7。图6示意出了根据本发明一个实施例的光电探测装置的多个探测单元的一种分布方式。具体地，图6示意出了一种10*10的探测单元的分布结构，其中，阴影部分的5*5区域的探测单元对应10％峰值透过率的滤光片，其余区域对应90％峰值透过率的滤光片。显然，阴影区域的动态范围比其余区域更大。
[0083]
作为一种优选方案，图7示意出了根据本发明一个实施例的光电探测装置的多个探测单元的又一种分布方式。其中，图7所示的10*10个探测单元中，有25个探测单元对应于10％峰值透过率的滤光片(即阴影部分)，其余探测单元对应90％峰值透过率的滤光片；并且，25个对应于10％峰值透过率的滤光片的探测单元均匀分布于整个阵列中，每个10％滤光片的探测单元被 90％滤光片的探测单元所包围。
[0084]
在探测时，先根据具有90％透过率滤光片的区域的探测单元的探测信息进行测量；当发现在预定探测时间内，该区域的探测单元的饱和次数超过预定阈值，则采用10％透过率滤光片的区域的探测单元的探测信息进行测量。通过采用具有不同峰值透过率的滤光片，能够扩大该探测部的动态范围，实现对更大范围光强的探测。
[0085]
可以理解，采用图7所示分布方式的探测部，在具有较大的动态范围的同时，该探测部的一致性将会更好，无论光斑实际落入哪一区域，都可以获得两种动态范围下的探测数据以供选择。而不会产生如图6的分布结构下，当光斑未落入5*5的局部阴影区域时，无法获得10％动态范围的探测信息的情况。
[0086]
并且，本领域技术人员应可理解，各个探测单元可以通过相应的读出电路被分别读出，并且，通过将具有相同动态范围的探测单元归为一组，即可分别获得不同动态范围的探测单元的探测信息，进而根据上述策略来选择所需动态范围的探测单元的探测信息，来完成测量的过程。
[0087]
根据本发明的又一优选实施例。探测部包括多个探测单元，该多个探测单元属于三个级别，由高到低依次：第一级探测单元，对应滤光单元的峰值透过率为90％；第二级探测单元，对应滤光单元的峰值透过率为40％；第三级探测单元，对应滤光单元的峰值透过率为40％。
[0088]
当探测部开启时，先基于透过率最高的(亦即动态范围较小的)第一级探测单元的探测信息进行探测，当一段预定长度时间内(或者，连续数帧内) 该第一级探测单元的连续饱和次数超过第一阈值时，使用透过率较低的滤光片的第二级探测单元(亦即其对应的动态范围较大)的探测信息进行探测；相似地，当第二级探测单元连续饱和次数超过第二阈值时，使用第三级探测单元的探测信息进行探测。
[0089]
其中，所述各级的阈值可以相同也可以不同，均可基于实际情况和需求来确定。优选地，各级对应的阈值可与激光雷达的发射端的发射脉冲次数相对应。
[0090]
例如，各级的阈值可以为预定次数m，当预定一段时间内接收到的m个脉冲信号使
得当前动态范围的探测单元每次始终饱和时，亦即，每次发射的脉冲信号均会使当前动态范围的探测单元饱和，则此时使用具有更高动态范围，亦即具有较低峰值透过率的探测单元的探测信息来进行测量。
[0091]
通过这样的方式，根据探测单元的饱和程度，逐步分阶段读取对应于不同透过率的不同探测单元，一方面能够提高探测部的整体动态范围，一方面又能够同时保证具有较好的探测精度。另外，本领域技术人员容易理解，上述说明仅为示例性的，不同探测单元对应的滤光单元的透过率可以根据需要分为两级、三级甚至四级、五级等更多级。
[0092]
图5示出了根据本发明一个实施例的激光雷达探测方法的流程图。所述激光雷达探测方法500使用图4中所示的激光雷达400，对与所述激光雷达 400有一定距离的目标物ob进行探测。下面将结合图5对所述激光雷达探测方法500作详细说明。如图所示，所述探测方法500包括以下步骤：
[0093]
在步骤s501：发射探测光束。所述激光雷达400的发射单元410发射探测激光束至目标物所在的周围环境中，以对所述目标物进行探测。
[0094]
在步骤s502：所述光电探测装置的所述滤光部对与所述探测光束对应的回波进行过滤。
[0095]
步骤s501中出射的探测激光束在遇到目标物ob后，发生漫反射，反射回来的部分回波被所述激光雷达400的接收单元420接收。
[0096]
其中，接收单元420包括根据本发明所述的光电探测装置。
[0097]
在所述光电探测装置的探测部10的光路上游设置有滤光部20，所述滤光部20包括多个透过率相同或者不同的滤光单元，所述回波首先入射到所述多个滤光单元上，由具有一定透过率的滤光单元对所述回波光子进行过滤，回波的部分光子透过滤光单元。
[0098]
在步骤s503：所述光电探测装置的所述探测部接收过滤后的回波，并将其转换为电信号。所述探测部10包括多个探测单元，一个或多个所述探测单元对应多个所述滤光单元，经过滤后的回波光子被所述探测单元接收，并将光信号转换为电信号。
[0099]
其中所述探测单元由单光子探测器件的线阵或者面阵组成，所述单光子探测器件例如为单光子雪崩二极管spad，也可以选用其他的具有单光子探测能力的光电探测器。
[0100]
在步骤s504：所述光电探测装置的所述处理单元，根据所获得的电信号以及相应的所述滤光部的透过率，确定所述实际入射光子的数目。所述处理单元30分别与所述探测部10和所述滤光部20耦接，根据从所述探测部10 传递的电信号以及所述滤光部20中滤光单元的透过率，计算实际探测的光子数。
[0101]
本发明通过设置具有一定透过率的滤光单元，提出了一种提高激光雷达接收端动态范围的结构和方法，以及具有该结构的激光雷达。本发明的实施例与传统的具有spad阵列的接收端相比，节省了器件的功耗，提高了激光雷达接收端的动态范围，进而提高了激光雷达的探测精度。
[0102]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。