多通道峰值检测集成电路及激光雷达回波峰值采集系统

技术领域

本发明涉及激光脉冲的回波峰值检测技术领域，特别是涉及一种多通道峰值检测集成电路及激光雷达回波峰值采集系统。

背景技术

激光雷达成像可以分为距离像、灰度像等，距离成像依赖于测距方法的可行性和准确性，其中脉冲飞行时间（TOF，Time of Flight）法是基于测量激光脉冲在空间中的飞行时间进一步得到测量仪器与目标之间的距离信息，在该测距方法的基础上可以衍生出通过对回波脉冲峰值进行测量来得到灰度像，回波峰值信息可以用来表征探测物对激光信号的散射能力强弱和目标辐射特性。

目前国内针对激光雷达接收机回波峰值信息采集架构研究尚不成熟，很多已经将峰值检测模块集成到激光雷达接收机内部，但仍需要将采集到的回波峰值信息接由外部的ADC（Analog to Digital Converter，模数转换器）进行数字信号转换，集成度较低，大多应用于单点式探测。

发明内容

本发明的目的是提供一种多通道峰值检测集成电路及激光雷达回波峰值采集系统，相较于现有的峰值检测模块具有更高的集成度和检测效率，适用于阵列探测的激光雷达接收单元。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种多通道峰值检测集成电路，包括：

斜坡电压产生模块和回波峰值数字信号产生阵列；所述回波峰值数字信号产生阵列包括多个回波峰值数字信号产生模块；

所述斜坡电压产生模块和每一个所述回波峰值数字信号产生模块连接；所述斜坡电压产生模块用于产生斜坡电压信号；所述回波峰值数字信号产生模块用于接收由激光脉冲的回波信号转化的电压脉冲信号并进行峰值采集保持，在所述斜坡电压信号大于所述电压脉冲信号采集保持后的峰值时输出回波峰值的数字信号。

可选的，所述回波峰值数字信号产生模块，具体包括：

峰值保持器、比较器和二进制数寄存器；

所述峰值保持器与所述比较器的正向输入端连接；所述峰值保持器用于接收由激光脉冲的回波信号转化的电压脉冲信号并进行峰值采集保持，输出与所述电压脉冲信号的峰值相等的保持电压至所述比较器；

所述斜坡电压产生模块分别与所述二进制数寄存器和所述比较器的反向输入端连接，所述比较器的输出端与所述二进制数寄存器连接；所述比较器用于比较所述斜坡电压信号和所述保持电压的大小，并在斜坡电压大于所述保持电压时，控制所述二进制数寄存器存储产生所述斜坡电压信号的二进制数；所述产生所述斜坡电压信号的二进制数为回波峰值的数字信号。

可选的，所述斜坡电压产生模块，具体包括：

计数器、译码器、斜坡发生器和第一驱动电路；

所述计数器分别与所述译码器和所述二进制数寄存器连接，所述译码器与所述斜坡发生器连接，所述斜坡发生器与所述第一驱动电路的输入端连接，所述第一驱动电路的输出端与所述比较器的反向输入端连接；所述译码器用于将所述计数器产生的二进制数转换为独热码，并根据所述独热码控制所述斜坡发生器产生斜坡电压信号；所述第一驱动电路用于驱动斜坡电压。

可选的，所述峰值保持器，具体包括：

差分放大电路、PMOS管和电容器；

所述差分放大电路的正向输入端与所述电容器的一端连接，所述差分放大电路的输出端与所述PMOS管的栅极连接，所述PMOS管的漏极与所述比较器的正向输入端连接，所述电容器的另一端接地；

所述差分放大电路用于接收由激光脉冲的回波信号转化的电压脉冲信号，根据所述电压脉冲信号判断前一时刻的电压是否小于或等于当前时刻的电压，若是，则控制所述PMOS管的状态为开启状态，若否，则控制所述PMOS管的状态为关断状态；

所述PMOS管用于在开启状态时控制所述电容器进行充电，在关断状态时保持所述电容器的电压。

可选的，所述回波峰值数字信号产生模块，还包括：

第二驱动电路；

所述第二驱动电路分别与所述比较器的正向输入端和所述PMOS管的漏极连接；所述第二驱动电路用于将所述保持电压输入至所述比较器中。

可选的，所述回波峰值数字信号产生模块，还包括：

移位寄存器；

所述移位寄存器分别与每一个所述二进制数寄存器连接；所述移位寄存器用于依次输出各个二进制数寄存器存储的二进制数。

可选的，所述回波峰值数字信号产生模块，还包括：

二进制数寄存器复位单元和电容器复位单元；

所述二进制数寄存器复位单元分别与每一个所述二进制数寄存器连接，所述二进制数寄存器复位单元用于清空所述二进制数寄存器中的二进制数；

所述电容器复位单元分别与每一个所述电容器并联，所述电容器复位单元用于将所述保持电压清零。

本发明还提供一种激光雷达回波峰值采集系统，包括：

脉冲信号处理阵列和上述的多通道峰值检测集成电路；所述脉冲信号处理阵列包括多个脉冲信号处理模块，所述脉冲信号处理模块的个数与回波峰值数字信号产生模块的个数相等；

所述脉冲信号处理模块和所述回波峰值数字信号产生模块一一对应连接；

所述脉冲信号处理模块用于将激光脉冲的回波信号转换为电压脉冲信号，并将所述电压脉冲信号传输至所述多通道峰值检测集成电路。

可选的，还包括：

处理器；

所述处理器与所述回波峰值数字信号产生模块连接；

所述处理器用于对所述回波峰值数字信号产生模块输出的回波峰值的数字信号进行处理，得到探测物对激光脉冲信号的散射能力特性和目标辐射特性。

可选的，所述脉冲信号处理模块，具体包括：

光电二极管和跨阻放大器；

所述光电二极管与所述跨阻放大器的输入端连接，所述跨阻放大器的输出端与所述回波峰值数字信号产生模块连接；

所述光电二极管用于将激光脉冲的回波信号转化为光电流脉冲信号；

所述跨阻放大器用于将所述光电流脉冲信号转化并放大为电压脉冲信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种多通道峰值检测集成电路及激光雷达回波峰值采集系统，其中，多通道峰值检测集成电路包括斜坡电压产生模块和回波峰值数字信号产生阵列；回波峰值数字信号产生阵列包括多个回波峰值数字信号产生模块；斜坡电压产生模块和每一个回波峰值数字信号产生模块连接；斜坡电压产生模块用于产生斜坡电压信号；回波峰值数字信号产生模块用于接收由激光脉冲的回波信号转化的电压脉冲信号，在斜坡电压信号大于电压脉冲信号的峰值时输出回波峰值的数字信号。本发明相较于现有的峰值检测模块具有更高的集成度和检测效率，适用于阵列探测的激光雷达接收单元。此外，通过共用一个斜坡电压产生模块，能够极大地减小多通道峰值检测集成电路的集成面积。

附图说明

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中多通道峰值检测集成电路结构图；

图2为本发明实施例中激光雷达回波峰值采集系统结构图；

图3为本发明实施例中峰值检测量化数据传输逻辑图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

本发明的目的是提供一种多通道峰值检测集成电路及激光雷达回波峰值采集系统，相较于现有的峰值检测模块具有更高的集成度和检测效率，适用于阵列探测的激光雷达接收单元。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例

图1为本发明实施例中多通道峰值检测集成电路结构图，如图1所示，一种激光雷达接收端的多通道峰值检测集成电路，包括：斜坡电压产生模块和回波峰值数字信号产生阵列。回波峰值数字信号产生阵列包括多个回波峰值数字信号产生模块。斜坡电压产生模块和每一个回波峰值数字信号产生模块连接；斜坡电压产生模块用于产生斜坡电压信号；回波峰值数字信号产生模块用于接收由激光脉冲的回波信号转化的电压脉冲信号并进行峰值采集保持（即接收由激光脉冲的回波信号转化的电压脉冲信号，对电压脉冲信号进行峰值采集保持，得到采集保持后的电压脉冲信号的峰值），在斜坡电压信号大于电压脉冲信号采集保持后的峰值时输出回波峰值的数字信号（电压脉冲信号采集保持后的峰值即为电压脉冲信号的峰值）。

回波峰值数字信号产生模块，具体包括：峰值保持器、比较器Comp和二进制数寄存器（寄存器1）。峰值保持器与比较器的正向输入端连接；峰值保持器用于接收由激光脉冲的回波信号转化的电压脉冲信号并进行峰值采集保持，输出与电压脉冲信号的峰值相等的保持电压至比较器；斜坡电压产生模块分别与二进制数寄存器和比较器的反向输入端连接，比较器的输出端与二进制数寄存器连接；比较器用于比较斜坡电压信号和保持电压的大小，并在斜坡电压大于保持电压时，控制二进制数寄存器存储产生斜坡电压信号的二进制数；产生斜坡电压信号的二进制数为回波峰值的数字信号。

斜坡电压产生模块，具体包括：计数器、译码器、斜坡发生器和第一驱动电路（图中未示出）。计数器分别与译码器和二进制数寄存器连接，译码器与斜坡发生器连接，斜坡发生器与第一驱动电路的输入端连接，第一驱动电路的输出端与比较器的反向输入端连接；译码器用于将计数器产生的二进制数转换为独热码，并根据独热码控制斜坡发生器产生斜坡电压信号；第一驱动电路用于驱动斜坡电压。

峰值保持器，具体包括：差分放大电路A、PMOS管和电容器C。差分放大电路的正向输入端与电容器的一端连接，差分放大电路的输出端与PMOS管的栅极连接，PMOS管的漏极与比较器的正向输入端连接，电容器的另一端接地；差分放大电路用于接收由激光脉冲的回波信号转化的电压脉冲信号，根据电压脉冲信号判断前一时刻的电压是否小于或等于当前时刻的电压，若是，则控制PMOS管的状态为开启状态，若否，则控制PMOS管的状态为关断状态；PMOS管用于在开启状态时控制电容器进行充电，在关断状态时保持电容器的电压。

回波峰值数字信号产生模块，还包括：第二驱动电路（图中未示出）。第二驱动电路分别与比较器的正向输入端和PMOS管的漏极连接；第二驱动电路用于将保持电压输入至比较器中。

回波峰值数字信号产生模块，还包括：移位寄存器。移位寄存器分别与每一个二进制数寄存器连接；移位寄存器用于依次输出各个二进制数寄存器存储的二进制数。

回波峰值数字信号产生模块，还包括：二进制数寄存器复位单元和电容器复位单元。二进制数寄存器复位单元分别与每一个二进制数寄存器连接，二进制数寄存器复位单元用于清空二进制数寄存器中的二进制数。电容器复位单元分别与每一个电容器并联，电容器复位单元用于将保持电压清零。

如图2所示，本发明还提供一种激光雷达回波峰值采集系统，包括：脉冲信号处理阵列、多通道峰值检测集成电路MPDQ和处理器FPGA。脉冲信号处理阵列包括多个脉冲信号处理模块，脉冲信号处理模块的个数与回波峰值数字信号产生模块的个数相等；脉冲信号处理模块和回波峰值数字信号产生模块一一对应连接；脉冲信号处理模块用于将激光脉冲的回波信号转换为电压脉冲信号，并将电压脉冲信号传输至多通道峰值检测集成电路。处理器与回波峰值数字信号产生模块连接；处理器用于对回波峰值数字信号产生模块输出的回波峰值的数字信号进行处理，得到探测物对激光脉冲信号的散射能力特性和目标辐射特性。

脉冲信号处理模块，具体包括：光电二极管和跨阻放大器（Trans-impedanceamplifier，TIA）。光电二极管与跨阻放大器的输入端连接，跨阻放大器的输出端与回波峰值数字信号产生模块连接；光电二极管用于将激光脉冲的回波信号转化为光电流脉冲信号；跨阻放大器用于将光电流脉冲信号转化并放大为电压脉冲信号。

本发明提供的一种多通道峰值检测集成电路及激光雷达回波峰值采集系统能够适用于阵列探测的激光雷达接收单元。

如图2所示，激光脉冲的回波由光电二极管转化成光电流脉冲，然后跨阻放大器TIA将其转化放大为一定范围内的电压脉冲信号（放大后的电压大于计数器形成的二进制数对应的电压值），之后由提出的多通道峰值检测量化模块（Multichannel PeakDetection and Quantization，MPDQ）采集电压信号的峰值信息进一步将其量化为数字信号，方便之后的数据处理，该模块可以实现多通道并行工作，在输出端采用主从模式的SPI（Single Peripheral Interface）串行协议来进行与控制端的数据交互。

如图1所示，电压脉冲信号V

外部时钟信号CLK控制计数器产生二进制数D[a:0]，经由译码电路转换成独热码S[b:0]来控制斜坡电路产生斜坡电压信号V

该架构数据传输逻辑如图3所示（以通道n为例），其中，图3中的虚线箭头表示将V

此时可以根据外部系统的探测要求来设定时间周期T，另外V

本发明的激光雷达接收端的多通道峰值检测集成电路能够有效的检测出以阵列为探测单元的激光雷达回波的强度信息，进而为得到灰度像创造条件。该多通道峰值检测量化架构，相较于现有的峰值检测模块具有更高的集成度和检测效率，在阵列探测的激光雷达单元中应用更加有优势。采样周期可以由外部复位、使能信号控制，更加灵活的来符合各个探测场景的要求。

本发明还可以利用分立的峰值检测保持模块和ADC来转换采集到的激光雷达回波的峰值信息，这会使得激光雷达探测单元结构繁琐、控制信号复杂、转化效率低，特别是应用在阵列探测的激光雷达单元中，每一列都需要一个单独的ADC来完成数字量化，造成资源和体积的浪费。相比较，该激光雷达接收端的多通道峰值检测架构和数据传输逻辑具有更明显的优势。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。