[发明专利]基于相位编码多脉冲传输和单比特过采样匹配滤波器检测的Lidar飞行时间和强度检测信号路径

说明书

光检测和测距（Lidar）系统包括由相位键控脉冲串模式发生器驱动的光传输部件，该相位键控脉冲串模式发生器可操作来应用相位编码键，以用于在用于传输的TX光的一系列开启/关断脉冲中激活光源。选择开启/关断序列，使得模式的自相关函数具有最大化的峰值与旁瓣比。从对象或场景反射的接收到的RX光的开启/关断脉冲被转换为与相位编码键互相关的比特流。峰值检测器找到互相关函数的峰值，并且生成指示TX光的传输与互相关函数的峰值之间的时间的飞行时间信号。

相关申请的引用

本申请是根据于2018年1月31日提交的美国临时申请号62/624,185的发明申请提交并且要求其优先权。该临时申请的全部公开内容、包括其附属物通过引用并入本文中。

背景技术

光检测和测距（Lidar）系统的传输和接收方案具有各种类别，其范围从借助于相位或频率测量来测量距离的连续波频率或强度调制系统到其中测量传输激光脉冲的行进时间的直接飞行时间系统。最先进技术的远程汽车Lidar通常并入直接飞行时间单脉冲方案，该方案符合要求对传输激光能量的限制的激光的眼睛安全操作。

需要使得在低对象反射率（~10%至20%）下具有远程要求（200米）的汽车Lidar系统是眼睛安全的。反射光学信号的功率按距离二次方地减少，并且按对象的反射率线性地减少，这可以容易地转变成大约90dB的动态范围。为了最大化范围，传输的激光脉冲需要具有非常大的峰值光学功率、大约几十瓦。眼睛安全操作要求平均功率维持在标准的最大容许水平，这要求将光信号的脉冲宽度减少到几纳秒。在所实现的范围方面，这提供了最佳的性能，但是对于Lidar硬件实现强加了对成本和复杂性有贡献的系统挑战。激光光源的驱动器需要在非常短的时间内以快速切换时间向激光器递送大量的功率，这通常要求诸如使用氮化镓技术的部件之类的特殊的高速功率半导体部件的开发。此外，用于测量飞行时间（TOF）的接收链需要处理由长距离和对象反射率范围强加的大动态范围。

在当前最先进技术的情况下，提供满足汽车Lidar规范的性能一方面要求高成本的激光驱动方案——这强加成本并且潜在引入影响总体系统性能的电磁干扰（EMI），并且另一方面要求高带宽和高动态范围的检测器信号路径。这进而已经转变成高速前端跨阻抗放大器（TIA），其对于高带宽的需求以调节纳秒Lidar脉冲与噪声性能的负面折衷，使它们成为系统的噪声性能限制。图1描绘了用于当前最先进技术的汽车Lidar系统的两个典型的RX方案。单脉冲方案仅在一个脉冲中具有接收信号RX到达信息，这意味着高速（几百 MHz的采样速率），但是要求高动态范围（10~12比特）的模数转换器，以便不由于引发的量化或混叠误差而损失性能。所有上述情况大大增加了总体Lidar系统的成本和复杂性。此外，随着Lidar传感器在未来的车辆中变得更流行，用于直接TOF Lidar的单脉冲传输方案将无法处理因为一个车辆的Lidar的单脉冲不能与相邻车辆的Lidar单脉冲区分所产生的干扰问题。

发明内容

通过在更高水平上组合系统级折衷，可以平衡掉复杂性并且减少高成本的系统部件要求，从而使能实现低成本但仍具有汽车级性能的Lidar系统。本公开的Lidar系统牵涉对用于Lidar传输方案的光学设计的修改，以及信号处理和模拟混合模式集成电路设计技术。在本公开的一个方面，TX光学信号的传输码嵌入相位信息，并且以相位键控开启-关断激光脉冲的脉冲串的形式分发眼睛安全能量水平。可以选择相位键的脉冲响应，使得其自相关函数在峰值处具有最大化的转换速率（slew-rate），或者与峰值相比，相关旁瓣得到大的抑制。该方案将改进在后端处的TOF检测准确度。