光检测和测距LiDAR读出集成电路、LiDAR系统及其操作方法与流程

光检测和测距lidar读出集成电路、lidar系统及其操作方法
技术领域
1.本发明整体涉及成像系统，并且更具体地涉及基于lidar(光探测和测距)的成像系统。


背景技术：

2.lidar成像系统利用光(通常是相干激光脉冲)照亮目标，并且测量从目标反射的返回时间以确定到目标的距离，并且测量光强度以生成场景的三维图像。该lidar成像系统包括直接飞行时间电路和照射目标的激光器。飞行时间电路可确定激光脉冲(例如，已被目标反射)的飞行时间，从而确定到目标的距离。在直接飞行时间lidar系统中，针对形成图像传感器的单光子雪崩二极管(spad)像素阵列中的每个像素确定该距离。
3.常规的直接飞行时间lidar系统使用时间相关技术，在该技术中汇编了时间戳的直方图(histogram)，其中每个时间戳表示检测事件。此类检测事件可能是由于每个激光脉冲的飞行时间、环境光、串扰、后寄生脉冲、电子噪声或其他噪声源引起的。通过多次重复该测量，某些时间戳更频繁地出现。这表示相关性，其在直方图中转换为具有更高计数数目(频率)的时间值。传输完整的(原始)直方图数据需要极高速的信道并且消耗大量的功率。本文的实施方案就是在这种背景下出现的。


技术实现要素：

4.本技术涉及光检测和测距lidar读出集成电路、lidar系统及其操作方法。lidar系统可以具有降低的芯片间数据速率。
5.根据第一方面，提供一种光检测和测距lidar读出集成电路，包括：原始直方图存储器，所述原始直方图存储器被配置为存储至少包含飞行时间时间戳信息的原始直方图数据；直方图有效峰值检测电路，所述直方图有效峰值检测电路被配置为通过监视所述原始直方图数据中的非零竖条的数目来对所述原始直方图数据进行过滤以输出对应的有效直方图计数；以及高速缓存，所述高速缓存被配置为接收并存储从所述直方图有效峰值检测电路输出的所述有效直方图计数。
6.根据第二方面，提供一种操作光探测和测距lidar系统的方法，所述方法包括：汇编至少包括飞行时间时间戳信息的原始直方图数据；对所述原始直方图数据中的非零竖条的数目进行计数；基于所述非零竖条的数目对所述原始直方图数据进行过滤以获得有效直方图计数；以及经由芯片间数据路径将所述有效直方图计数传送到数字信号处理器。
7.根据第三方面，提供一种系统，包括：传感器裸片，所述传感器裸片具有单光子雪崩二极管阵列；读出裸片，所述读出裸片被配置为从所述传感器裸片接收飞行时间时间戳信息，其中所述读出裸片包括：原始直方图存储器，所述原始直方图存储器被配置为存储基于所接收的飞行时间时间戳信息而汇编的原始直方图数据；以及直方图有效峰值检测电路，所述直方图有效峰值检测电路被配置为对所述原始直方图数据进行过滤以输出对应的有效直方图计数，并被进一步配置为输出背景噪声基底值；以及处理器，所述处理器被配置
为从所述读出裸片接收所述有效直方图计数以及所述背景噪声基底值。
附图说明
8.图1a是根据一些实施方案的包括lidar成像系统的例示性系统的示意图。
9.图1b是根据一些实施方案的具有lidar成像系统的例示性车辆的示意图。
10.图2是根据一些实施方案的示出例示性单光子雪崩二极管(spad)像素的电路图。
11.图3是根据一些实施方案的例示性spad像素阵列的电路图。
12.图4是根据一些实施方案的例示性直方图有效峰值检测电路的电路图。
13.图5a是根据一些实施方案的示出原始直方图竖条(bin)计数的时序图。
14.图5b是根据一些实施方案的示出有效直方图竖条计数的时序。
15.图6是根据一些实施方案的用于操作直方图有效峰值检测电路以输出有效直方图竖条计数的例示性步骤的流程图。
具体实施方式
16.本发明的实施方案涉及具有直接飞行时间能力的lidar系统。
17.一些成像系统包括图像传感器，该图像传感器通过将撞击光子转换成在传感器阵列内的像素光电二极管中积聚的(收集的)电子或空穴来感测光。在完成积聚周期之后，收集到的电荷被转换成电压，该电压被提供给传感器的输出端子。在互补金属氧化物半导体(cmos)图像传感器中，电荷到电压的转换直接在像素本身中完成，并且模拟像素电压通过各种像素寻址和扫描方案被转移到输出端子。模拟像素电压也可随后在片上被转换成数字等同物，并且在数字域中以各种方式进行处理。
18.另一方面，在光探测和测距(lidar)器件(诸如结合图1至图4描述的器件)中，光子探测原理是不同的。lidar器件可包括朝目标对象/场景发射光的光源，诸如激光器。lidar器件中的光感测二极管诸如单光子雪崩二极管(spad)可偏置到略高于其击穿点，并且当来自激光器的入射光子(例如，从目标对象/场景反射的光)生成电子或空穴时，该载流子引发雪崩击穿，同时生成附加的载流子。雪崩倍增可产生电流信号，该电流信号能够通过与spad相关联的读出电路被容易地检测。需要通过将二极管偏置降低到低于其击穿点来停止(即，淬灭)雪崩过程。
19.在lidar器件中，多个spad像素可用于测量从同步光源到场景对象点再返回到传感器的光子飞行时间(tof)，该光子飞行时间可用于获得场景的三维图像。该方法需要时间数字转换电路来确定自发射激光以来所经过的时间量，从而确定到目标对象的距离。
20.图1a是包括lidar成像系统的例示性系统的示意图。图1a的系统100可为车辆安全系统(例如，主动制动系统或其他车辆安全系统)、监控系统、医学成像系统、一般机器视觉系统或任何其他期望类型的系统。
21.系统100包括基于lidar的传感器模块10。传感器模块10可用于捕获场景的图像并且测量到场景中的对象物(也称为目标或者障碍)的距离。
22.例如，在车辆安全系统中，可由车辆安全系统使用来自基于lidar传感器模块10的信息来确定车辆周围的环境状况。例如，车辆安全系统可包括系统诸如停车辅助系统、自动或半自动巡航控制系统、自动制动系统、防撞系统、车道保持系统(有时称为车道漂移避免
系统)、行人检测系统等。在至少一些情况下，lidar模块可形成半自主或自主无人驾驶车辆的一部分。
23.图1b中示出了车辆(诸如汽车30)的例示性示例。如图1b的例示性示例所示，汽车30可以包括一个或多个传感器模块10。传感器模块10可形成车辆安全系统100的至少一部分，如上所述。传感器模块10可以是具有专用图像捕获和/或图像处理功能的设备或系统。如果需要，传感器模块10可以执行与给定驾驶员辅助操作相关联的一些或全部图像处理功能。专用驾驶员辅助处理器(例如，图1a中的处理电路130)可以接收来自传感器模块10的信号。虽然可将各种传感器模块10放置在汽车30内的不同位置处，但是处理器130可安置在汽车30内的中心位置处(例如，在发动机舱附近)。
24.在另一合适的示例中，传感器模块10可以仅执行与给定驾驶员辅助功能相关联的图像处理操作中的一部分或不执行任何图像处理操作。例如，传感器模块10可仅捕获车辆30周围环境的图像，并且将图像数据传输到处理电路130以进行进一步处理。这种布置可用于车辆安全系统功能，该车辆安全系统功能需要大量处理能力和存储(例如，对捕获图像的全帧缓冲和处理)。
25.在图1b的例示性示例中，第一传感器模块10被示出为安装在汽车30的前部上(例如，以捕获汽车前方的周围环境的图像)，并且第二传感器模块10被示出为安装在汽车30的内部(例如，以捕获车辆的驾驶员的图像)。如果需要，传感器模块10可以安装在车辆30的后端(即，与图1b中第一传感器模块10所安装的位置相反的车辆端部)。在车辆后端处的成像系统可以捕获车辆后面的周围环境的图像。这些示例仅仅是例示性的。一个或多个传感器模块10可以安装在车辆30上或该车辆内的任何期望位置。
26.返回参考图1a，基于lidar的传感器模块10可包括接收器封装件102、发射光108以照亮外部对象110的激光器104。激光器104可发射任何期望波长的光108(例如，红外线、可见光等)。光学器件和光束转向装备106可用于将来自激光器104的光束朝向外部对象110导向。光108可照亮外部对象110并作为反射112返回到lidar模块102。光学器件和光束导向106中的一个或多个透镜可将反射光112聚焦到接收器封装件102内的图像传感器裸片114上。作为示例，可在传感器裸片114上形成spad像素阵列(有时称为spad阵列114)。在单光子雪崩二极管(spad)器件中，光感测二极管被偏置到高于其击穿点。当入射光子生成电子或空穴时，该载流子引发雪崩击穿，同时生成附加的载流子。雪崩倍增可产生电流信号，该电流信号能够通过与spad相关联的读出电路被容易地检测。能够通过将二极管偏置降低于其击穿点来停止(或淬灭)雪崩过程。因此，每个spad可包括用于停止雪崩的被动和/或主动淬灭电路。可使用spad像素来测量从同步光源(例如，激光器104)到场景对象点再返回到传感器的光子飞行时间(tof)，该光子飞行时间可用于获得场景的三维图像。
27.图2中示出了spad像素的示例。如图2所示，spad器件202包括与淬灭电路206串联耦接在第一电源电压端子208(例如，正电源电压端子)和第二电源电压端子210(例如，接地电源电压端子)之间的spad 204。在spad器件202的操作期间，电源电压端子208和210可用于将spad 204偏置到高于击穿电压的电压。击穿电压被定义为能够施加的且不会导致二极管中的泄漏电流呈指数级增加的最大反向电压。当spad 204以这种方式偏置到高于击穿电压时，单光子的吸收可通过碰撞电离触发短时间但是相对较大的雪崩电流。
28.淬灭电路206(有时称为淬灭元件206)可用于将spad 204的偏置电压降低到低于
击穿电压的水平。将spad 204的偏置电压降低到低于击穿电压将停止雪崩过程和对应的雪崩电流。有多种方法来形成淬灭电路206。淬灭电路206可为被动淬灭电路或主动淬灭电路。一旦启动，被动猝灭电路可自动猝灭雪崩电流，而无需外部控制或监视。例如，图2示出了使用电阻器来形成淬灭电路206的示例。这是被动淬灭电路的一个示例。雪崩启动后，产生的电流会迅速将器件的容量进行放电，从而将spad处的电压降低至击穿电压附近。与淬灭电路206中的电阻器相关联的电阻可能导致最终电流低于维持其自身所要求的电流。然后可将spad复位到击穿电压之上，以便能够检测另一个光子。
29.被动淬灭电路的这个示例仅仅是示例性的。主动淬灭电路也可用于spad器件202中。主动淬灭电路可减少spad器件202复位所花费的时间。这可允许spad器件202以比使用被动淬灭电路时更快的速率检测入射光，从而改善spad器件的动态范围。主动淬灭电路可调节spad淬灭电阻。例如，在检测到光子之前，将淬灭电阻设置为较高的值，然后一旦检测到光子并且雪崩淬灭，就将淬灭电阻最小化以减少恢复时间。
30.spad器件202还可包括读出电路212。有多种方式形成读出电路212以从spad器件202获得信息。读出电路212可包括对到达的光子进行计数的脉冲计数电路。另选地或除此之外，读出电路212可包括用于测量光子飞行时间(tof)的飞行时间电路。光子飞行时间信息可用于执行深度感测。
31.在一个示例中，光子可由模拟计数器计算以形成作为对应像素电压的光强度信号。也可以通过将光子飞行时间转换为电压来获得tof信号。包括在读出电路212中的模拟脉冲计数电路的示例仅是示例性的。如果需要，读出电路212可包括数字脉冲计数电路。如果需要，读出电路212还可包括放大电路。
32.图2中读出电路212耦接到二极管204和淬灭电路206之间的节点的示例仅是例示性的。读出电路212可耦接到spad器件的任何期望的部分。在一些情况下，淬灭电路206可被认为与读出电路212成一整体。
33.因为spad器件可检测单个入射光子，所以spad器件可有效地成像具有低光水平的场景。每个spad可检测在给定时间段内接收了多少光子(例如，使用包括计数电路的读出电路)。然而，如上所述，每当接收到光子并且开始雪崩电流时，必须在准备好检测另一个光子之前对spad器件进行淬灭和复位。当入射光水平增加时，复位时间变得限制于spad器件的动态范围(例如，一旦入射光水平超过给定水平，则在复位时立即触发spad器件)。此外，spad器件可用于lidar系统中，以确定光在从外部对象反射之后何时返回。
34.可将多个spad器件分组在一起以帮助增加动态范围。spad器件的组或阵列可被称为硅光电倍增器(sipm)。在给定的硅光电倍增器中可包括两个spad器件、多于两个spad器件、多于十个spad器件、多于一百个spad器件、多于一千个spad器件等。图3中示出了分组在一起的多个spad器件的示例。
35.图3是spad器件202的例示性组220的电路图。spad器件的组可被称为硅光电倍增器(sipm)。如图3所示，硅光电倍增器220可包括在第一电源电压端子208和第二电源电压端子210之间并联耦接的多个spad器件。图2示出了并联耦接的n个spad器件202(例如，spad器件202-1、spad器件202-2、spad器件202-3、spad器件202-4、......、spad器件202-n)。在给定的硅光电倍增器中可包括多于两个spad器件、多于十个spad器件、多于一百个spad器件、多于一千个spad器件等。
36.在本文中，每个spad器件可称为spad像素202。尽管未在图3中明确示出，但用于硅光电倍增器的读出电路可测量来自硅光电倍增器中全部spad像素的组合输出电流。以此方式，可增加包括spad像素的成像系统的动态范围。然而，如果需要，每个spad像素可具有单独的读出电路。
37.当接收到入射光子时，不保证每个spad像素具有触发的雪崩电流。spad像素可具有在接收到入射光子时触发雪崩电流的相关联概率。存在在光子到达二极管时产生电子的第一概率，然后是电子触发雪崩电流的第二概率。光子触发雪崩电流的总概率可称为spad的光子检测效率(pde)。因此，在硅光电倍增器中将多个spad像素分组在一起允许更准确地测量传入的入射光。例如，如果单个spad像素的pde为50％并且在某个时间段内接收到一个光子，则不会检测到光子的可能性为50％。利用图3的硅光电倍增器220，四个spad像素中的两个可能将检测光子，从而改善所提供的时间段的图像数据并且允许对入射光进行更精确的测量。
38.在硅光电倍增器中具有公共输出的多个spad像素的示例仅为示例性的。就包括具有用于所有spad像素的公共输出的硅光电倍增器的成像系统而言，成像系统在成像场景时可能不具有任何分辨率(例如，硅光电倍增器可仅检测单个点处的光子通量)。可能有利的是使用spad像素在阵列上获得图像数据，以允许成像场景的更高分辨率的再现。在诸如这些情况下，单成像系统中的spad像素可具有逐个像素读出能力。另选地，可在成像系统中包括硅光电倍增器的阵列(每个硅光电倍增器包括多于一个的spad像素)。来自每个像素或来自每个硅光电倍增器的输出可用于生成成像场景的图像数据。该阵列可能够在线阵列(例如，具有单行多列或单列多行的阵列)或具有多于十个、多于一百个或多于一千个的行和/或列的阵列中进行独立检测(无论是在硅光电倍增器中使用单个spad像素还是多个spad像素)。
39.重新参照图1a，接收器封装件102还可包括被配置为从传感器裸片114接收图像数据的读出集成电路裸片120。作为示例，读出集成电路裸片120和传感器集成电路裸片114可相对于彼此垂直堆叠。如果需要，可使用其它多裸片封装拓扑结构。由于传感器裸片114和读出裸片120是同一半导体封装件的一部分，因此将裸片114链接到读出裸片120的相对短的连接可以毫无问题地处理高数据吞吐量。
40.读出裸片120可包括时间数字转换器(tdc)电路116，其使用时间值(例如，介于激光器发射出光和由spad阵列114接收到反射之间)来获得表示到对象110的距离的数字值。使用多个激光周期来实现对直接飞行时间(tof)lidar的读出，以基于由spad阵列114和时间数字转换器(tdc)116生成的直接tof时间戳创建原始直方图数据。tdc 116可与激光器104同步。直方图的一个或多个峰值用于确定激光信号行进到目标并返回到传感器所花费的时间。原始直方图数据可存储在读出裸片120中的原始直方图存储器122中。原始直方图数据被定义为包括与激光反射光子(即，从外部对象反射回的光子)、环境光子、spad像素之间的光学串扰、热噪声和其他噪声源相关联的时间戳信息的直方图。原始直方图数据因此有时被称为完整的或未过滤的直方图数据。
41.读出裸片120可耦接到一个或一个以上下游处理器，诸如处理器130。作为示例，读出裸片120和处理器130可以是单独的集成芯片(裸片)。处理器130可以是数字信号处理器(dsp)、微处理器、微控制器、通用处理器、现场可编程门阵列(fpga)、主机处理器或其他合
适类型的处理器。将完整的直方图数据从读出裸片120传输到信号处理器130将需要具有大约每秒几百千兆比特的极高芯片间数据传输速率的信道(作为示例)。此类要求增加了整个系统100的复杂性，同时消耗了大量的功率。如上文结合图1b所描述，处理器130可安装在距每个传感器模块10相对远的位置处，这使得传输高数据速率甚至更具挑战性。
42.根据一实施方案，读出裸片120可设置有直方图有效峰值检测电路，诸如直方图有效峰值检测器124，其被配置为从存储于原始直方图存储器122中的原始直方图数据仅识别或提取有效峰值。仅小部分原始直方图数据携带关于外部对象的目标位置的有用信息，而剩余部分可被视为噪声(例如，仅激光反射光子应被视为有用信息，而环境光光子、光学串扰及其它噪声信号应被滤除)。直方图有效峰值检测器124可被配置为滤除无用噪声信号，同时仅使待存储于高速缓存126中的有用信号通过。表示激光反射光子的有用信号有时被称为有效峰值信号，而表示外围噪声信号的无用信号有时被称为无效信号。
43.高速缓存126可被配置为存储从直方图有效峰值检测器124输出的有效峰值信号。该有效峰值信号可经由数据路径134传送到处理器130。处理器130内的直方图重建电路132可使用所接收的有效峰值信号来重建起始(原始)直方图的准确副本。处理器130然后可以使用重建的直方图来确定系统100与外部对象110之间的距离。通过仅将有用(经过滤)有效峰值信号从读出裸片(电路)120传送到信号处理器130，可实现路径134的数据传送速率的显著减小以及高速缓存126所需的存储器大小的显著减小，而在主机处理器处没有直方图偏斜或数据损失。
44.图4是例示性直方图有效峰值检测电路124的电路图。原始直方图存储器122可被配置为存储从tdc 116输出的原始(未过滤)直方图数据，并且可被视为直方图有效峰值检测电路124的一部分或与直方图有效峰值检测电路124分离。如图4中所示，直方图有效峰值检测电路124可包括：比较器电路(诸如比较器402)、第一求和电路(诸如求和电路404)、原始直方图总和计数电路(诸如原始直方图总和计数器406)、第二求和电路(诸如求和电路408)、非零竖条计数电路(诸如非零竖条计数器410)、背景噪声基底(floor)生成电路(诸如背景噪声基底生成器412)、第三求和电路(诸如求和电路414)、另一比较器电路(诸如比较器418)、最终门控电路(诸如门420)及定序电路(诸如定序器400)。
45.原始直方图存储器112可被配置为输出第i个竖条的原始直方图竖条计数，其中i表示随时间的直方图竖条索引。第i个原始直方图竖条计数在图4中表示为hci。求和电路404可具有被配置为从原始直方图存储器122接收hci的第一输入、耦接到原始直方图总和计数器406的输出、以及经由反馈路径407耦接到原始直方图总和计数器406的输出的第二输入。以此方式布置，原始直方图总和计数器406可用于生成表示跨所有竖条的光子的总和的总和输出sum(有时称为原始直方图总计总和sum)。
46.比较器402可具有被配置为从原始直方图存储器122接收hci的第一输入、被配置为接收0阈值的第二输入、及输出。如果特定竖条包括至少一个光子，则比较器402的输出将因此仅被断言(例如，被驱动为高)。求和电路408可具有耦接到比较器402的输出的第一输入、耦接到非零竖条计数器410的输出、以及经由反馈路径411耦接到非零竖条计数器410的输出的第二输入。以此方式布置，非零竖条计数器410可用于生成表示直方图中非零竖条的总数的计数输出nz(有时称为非零竖条计数nz)。
47.背景噪声基底生成器412可接收原始直方图总计总和sum及非零竖条计数nz并输
出对应的背景噪声基底值bnof。背景噪声基底值可等于原始直方图总计总和除以非零竖条计数(例如，bnof可等于sum除以nz)。背景噪声基底生成器412可因此实施为除法电路。
48.求和电路414可具有：被配置为从生成器412接收背景噪声基底值bnof的第一输入、被配置为从阈值电平偏移(tlof)寄存器416接收阈值电平偏移值tlof的第二输入，以及在其上生成有效峰值阈值电平thres总和的输出。有效峰值阈值电平thres可因此等于bnof加上tlof(例如，thres＝bnof+tlof)。因此，求和电路414有时可被称为有效峰值阈值电平生成器。阈值电平偏移值tlof可为可调整参数，其限定背景噪声基底电平与有效峰值阈值电平之间的差距。
49.比较器418可具有：被配置为从求和电路414的输出接收有效峰值阈值电平thres的第一输入、被配置为直接从原始直方图存储器122接收原始直方图竖条计数hci的第二输入、以及在其上生成有效直方图计数vhci的输出。最终门控电路420(示意性地表示为逻辑“与”门)将仅向高速缓存126传输大于有效峰值阈值水平thres的有效直方图计数。换句话说，如果hci大于thres，则直方图计数被认为是有效的。
50.直方图有效峰值检测电路124可仅将有效直方图计数vhci和背景噪声基底值bnof输出到信号处理器130。可在所有测量帧(激光发射)上针对每个单独spad像素计算背景噪声基底值bnof。因此，对于lidar系统中的每个spad像素，可以存在直方图有效峰值检测电路124的单独实例。仅将有效直方图计数vhci和背景噪声基底值bnof传送到信号处理器130可允许处理器130重建原始直方图，同时显著减少传输数据的量且因此减少数据传输速率要求。如果需要的话，还可以传输可以帮助提高直方图重建精度的附加数据。例如，还可以传输原始直方图总计sum。作为另一示例，还可以传输非零竖条计数。作为另一示例，还可以传输直方图方差信息。
51.图5a是示出原始直方图竖条计数的时序图。背景噪声基底电平由标记为bnof的虚线表示。有效峰值阈值水平由标记为thres的虚线表示。如图5a所示，有效峰值阈值电平thres与背景噪声基底电平bnof之间的差距或差等于阈值电平偏移值tlof。将所有此原始直方图数据从读出电路传输到信号处理器将需要极高的数据传送速率(例如，每秒数百千兆位)。
52.图5b是示出有效直方图竖条计数的时序。如图5b所示，只有超过有效峰值阈值电平thres的峰值将被认为是存储在高速缓存126内的有效峰值信号。通过仅将有效峰值信号从读出电路传输到信号处理器，可将数据传输速率要求显著降低到小于1千兆位每秒(例如)。因此，以这种方式降低芯片间数据传输速率可以降低功耗，同时简化lidar系统的整体复杂度。
53.可使用定序电路400(见图4)来控制直方图有效峰值检测电路124的操作。定序器400可通过经由控制路径422将启用或控制信号发送到相应电路块来选择性地激活电路124的部分。图6是用于操作直方图有效峰值检测电路124以输出有效直方图竖条计数的例示性步骤的流程图，该有效直方图竖条计数可使用定序器400来控制。
54.在框600的操作期间，原始直方图数据可被汇编并存储于原始直方图存储器122内。可使用从时间-数字转换器(tdc)电路116(参见图1a)输出的直接飞行时间时间戳信息来编译原始直方图数据。
55.在框602的操作期间，原始直方图总和计数器406可用于生成原始直方图总计总
和。原始直方图总和计数器406与求和电路404一起可以共同地跟踪跨竖条的所有检测到的光子的数目。
56.在块604的操作期间，非零竖条计数器410可用于生成非零竖条计数。非零竖条计数器410与求和电路408和比较器402一起可以共同地跟踪非零竖条的数目。
57.在框606的操作期间，背景噪声基底生成器412可用以产生背景噪声基底值。举例来说，可通过将原始直方图总计总和除以非零竖条计数来计算背景噪声基底值。这仅仅是例示性的。如果需要，可以基于其它参数或使用其它数学函数或等式来计算背景噪声基底值。
58.在框608的操作期间，求和电路414可用于计算有效峰值阈值电平。举例来说，可通过将背景噪声基底值与阈值电平偏移值相加来计算有效峰值阈值电平。这仅仅是例示性的。如果需要，可以基于其它参数或使用其它数学函数或等式来计算有效峰值阈值。
59.在框610的操作期间，最终门电路可通过将原始竖条计数与所计算的有效峰值阈值进行比较来识别或提取有效直方图计数(即，有效峰值信号)。仅超过有效峰值阈值的原始竖条计数将被输出到高速缓存并最终在芯片外传输到信号处理器。
60.在框612的操作期间，直方图有效峰值检测电路124可向信号处理器输出有效直方图竖条计数和背景噪声基底值。基于该信息，该信号处理器可以重建或重新创建原始直方图以准确地确定lidar系统与外部对象/障碍物之间的距离。
61.图6的操作仅仅是例示性的。所描述的操作中的至少一些可被修改或省略；可并行执行所描述的操作中的一些；可以在所描述的操作之间添加或插入附加处理；可颠倒或改变某些操作的顺序；可以调整所描述的操作的时序，使得它们在稍微不同的时间发生，或者所描述的操作可以分布在系统中。
62.根据一个实施方案，提供了一种光检测和测距(lidar)读出集成电路，该lidar读出集成电路包括：原始直方图存储器，该原始直方图存储器被配置为存储至少包括飞行时间时间戳信息的原始直方图数据；直方图有效峰值检测电路，该直方图有效峰值检测电路被配置为通过监视原始直方图数据中的非零竖条的数量来过滤原始直方图数据以输出对应的有效直方图计数；以及高速缓存，该高速缓存被配置为接收并存储从该直方图有效峰值检测电路输出的有效直方图计数。
63.根据另一实施方案，该直方图有效峰值检测电路任选地包括原始直方图总和计数器，该原始直方图总和计数器被配置为输出该原始直方图数据中的多个竖条的原始直方图总计总和。
64.根据另一实施方案，该直方图有效峰值检测电路任选地还包括在反馈布置中耦接到原始直方图总和计数器的求和电路。
65.根据另一实施方案，该直方图有效峰值检测电路任选地进一步包括非零竖条计数器，该非零竖条计数器被配置为输出表示该原始直方图数据中的非零竖条的数目的非零竖条计数。
66.根据另一实施方案，该直方图有效峰值检测电路任选地还包括在反馈布置中耦接到非零竖条计数器的求和电路。
67.根据另一实施方案，该直方图有效峰值检测电路任选地进一步包括比较器，该比较器具有耦接到该原始直方图存储器的第一输入、被配置为接收零阈值的第二输入、以及
耦接到该求和电路的输出。
68.根据另一实施方案，该直方图有效峰值检测电路任选地进一步包括背景噪声基底生成电路，该背景噪声基底生成电路被配置为接收该原始直方图总计总和以及该非零竖条计数，并且基于该原始直方图总计总和以及该非零竖条计数生成背景噪声基底值。
69.根据另一实施方案，该背景噪声基底生成电路任选地被配置为通过将原始直方图总计总和除以非零竖条计数来生成该背景噪声基底值。
70.根据另一实施方案，该直方图有效峰值检测电路任选地进一步包括求和电路，该求和电路被配置为接收该背景噪声基底值及阈值电平偏移值，并且通过将该背景噪声基底值与阈值电平偏移值求和来生成有效峰值阈值电平。
71.根据另一实施方案，该直方图有效峰值检测电路任选地进一步包括寄存器，该寄存器被配置为输出该阈值电平偏移值，其中所述阈值电平偏移值是可调整的。
72.根据另一实施方案，该直方图有效峰值检测电路任选地进一步包括比较器，该比较器具有被配置为接收该有效峰值阈值电平的第一输入、耦接到该原始直方图存储器的第二输入、以及在其上生成该有效直方图计数的输出。
73.根据另一实施方案，该有效直方图计数和背景噪声基底值任选地被在片外传输到外部处理器。
74.根据另一实施方案，该光检测和测距(lidar)读出集成电路任选地是用于车辆的光检测和测距系统的一部分。
75.根据一个实施方案，提供了一种用于操作光检测和测距(lidar)系统的方法，该方法包括：汇编至少包括飞行时间时间戳信息的原始直方图数据；对原始直方图数据中的非零竖条的数目进行计数；基于非零竖条的数目对原始直方图数据进行过滤以获得有效直方图计数；以及经由芯片间数据路径将有效直方图计数传送到数字信号处理器。
76.根据另一实施方案，该方法任选地进一步包括生成原始直方图数据中的多个竖条的原始直方图总计总和。
77.根据另一实施方案，该方法任选地进一步包括基于原始直方图总计总和以及非零竖条的数量来计算背景噪声基底值。
78.根据另一实施方案，其中计算背景噪声基底值任选地包括将原始直方图总计总和除以非零竖条的数目。
79.根据另一实施方案，该方法任选地还包括通过将背景噪声基底值与可调整的阈值水平偏移值相加来计算有效峰值阈值水平。
80.根据另一实施方案，其中过滤该原始直方图数据包括将原始直方图数据与有效峰值阈值水平进行比较以识别有效直方图计数。
81.根据一个实施方案，提供了一种系统，该系统包括具有单光子雪崩二极管阵列的传感器裸片和被配置为从该传感器裸片接收飞行时间时间戳信息的读出裸片。该读出裸片可包括：原始直方图存储器，该原始直方图存储器被配置为存储基于所接收的飞行时间时间戳信息而汇编的原始直方图数据；以及直方图有效峰值检测电路，该直方图有效峰值检测电路被配置为对该原始直方图数据进行过滤以输出对应的有效直方图计数并且进一步被配置为输出背景噪声基底值。该系统可进一步包括被配置为从该读出裸片接收该有效直方图计数及该背景噪声底限值的处理器。
82.前述内容仅仅是对本发明原理的例示性说明，并且本领域技术人员可以进行多种修改。上述实施方案可单个实施或以任意组合方式实施。

技术特征：
1.一种光检测和测距lidar读出集成电路，包括：原始直方图存储器，所述原始直方图存储器被配置为存储至少包含飞行时间时间戳信息的原始直方图数据；直方图有效峰值检测电路，所述直方图有效峰值检测电路被配置为通过监视所述原始直方图数据中的非零竖条的数目来对所述原始直方图数据进行过滤以输出对应的有效直方图计数；以及高速缓存，所述高速缓存被配置为接收并存储从所述直方图有效峰值检测电路输出的所述有效直方图计数。2.根据权利要求1所述的光检测和测距lidar读出集成电路，其中所述直方图有效峰值检测电路包括：原始直方图总和计数器，所述原始直方图总和计数器被配置为输出所述原始直方图数据中的多个竖条的原始直方图总计总和。3.根据权利要求2所述的光检测和测距lidar读出集成电路，其中所述直方图有效峰值检测电路还包括：在反馈布置中耦接到所述原始直方图总和计数器的求和电路。4.根据权利要求2所述的光检测和测距lidar读出集成电路，其中所述直方图有效峰值检测电路还包括：非零竖条计数器，所述非零竖条计数器被配置为输出表示所述原始直方图数据中所述非零竖条的数目的非零竖条计数。5.根据权利要求4所述的光检测和测距lidar读出集成电路，其中所述直方图有效峰值检测电路还包括：在反馈布置中耦接到所述非零竖条计数器的求和电路；以及比较器，所述比较器具有耦接到所述原始直方图存储器的第一输入、被配置为接收零阈值的第二输入、以及耦接到所述求和电路的输出。6.根据权利要求4所述的光检测和测距lidar读出集成电路，其中所述直方图有效峰值检测电路还包括：背景噪声基底生成电路，所述背景噪声基底生成电路被配置为：接收所述原始直方图总计总和以及所述非零竖条计数；以及基于所述原始直方图总计总和以及所述非零竖条计数来生成背景噪声基底值；求和电路，所述求和电路被配置为：接收所述背景噪声基底值和阈值电平偏移值；以及通过对所述背景噪声基底值和阈值电平偏移值求和来生成有效峰值阈值电平；寄存器，所述寄存器被配置为输出所述阈值电平偏移值，其中所述阈值电平偏移值是可调整的；以及比较器，所述比较器具有被配置为接收所述有效峰值阈值电平的第一输入、耦接到所述原始直方图存储器的第二输入、以及在其上生成所述有效直方图计数的输出。7.一种操作光探测和测距lidar系统的方法，所述方法包括：汇编至少包括飞行时间时间戳信息的原始直方图数据；对所述原始直方图数据中的非零竖条的数目进行计数；基于所述非零竖条的数目对所述原始直方图数据进行过滤以获得有效直方图计数；以
及经由芯片间数据路径将所述有效直方图计数传送到数字信号处理器。8.根据权利要求7所述的方法，还包括：生成所述原始直方图数据中的多个竖条的原始直方图总计总和；基于所述原始直方图总计总和以及所述非零竖条的数目来计算背景噪声基底值；以及通过对所述背景噪声基底值和可调整的阈值电平偏移值相加来计算有效峰值阈值电平。9.根据权利要求8所述的方法，其中过滤所述原始直方图数据包括：将所述原始直方图数据与所述有效峰值阈值水平进行比较以识别所述有效直方图计数。10.一种系统，包括：传感器裸片，所述传感器裸片具有单光子雪崩二极管阵列；读出裸片，所述读出裸片被配置为从所述传感器裸片接收飞行时间时间戳信息，其中所述读出裸片包括：原始直方图存储器，所述原始直方图存储器被配置为存储基于所接收的飞行时间时间戳信息而汇编的原始直方图数据；以及直方图有效峰值检测电路，所述直方图有效峰值检测电路被配置为对所述原始直方图数据进行过滤以输出对应的有效直方图计数，并被进一步配置为输出背景噪声基底值；以及处理器，所述处理器被配置为从所述读出裸片接收所述有效直方图计数以及所述背景噪声基底值。

技术总结
本申请涉及光检测和测距LiDAR读出集成电路、LiDAR系统及其操作方法。LiDAR系统可包括激光器和由从目标场景反射的激光触发的单光子雪崩二极管(SPAD)阵列。该LiDAR系统可以使用SPAD阵列来汇编原始直方图数据。直方图有效峰值检测器可用于对原始直方图数据进行过滤以仅提取超过阈值的有效直方图峰值信号。该直方图有效峰值检测器可包括原始直方图总和计数器、非零竖条计数器、背景噪声基底生成器、求和电路、比较器和门控电路，其全部由定序电路控制。通过过滤掉原始直方图中的噪声信号同时仅传输有效峰值信号，可以显著降低整个LiDAR系统中的不同芯片之间的数据传输速率要求。系统中的不同芯片之间的数据传输速率要求。系统中的不同芯片之间的数据传输速率要求。


技术研发人员：I
受保护的技术使用者：半导体元件工业有限责任公司
技术研发日：2022.12.07
技术公布日：2023/7/11