CN102621555B - 一种双阈值时刻鉴别电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双阈值时刻鉴别电路，包括过零时刻鉴别单元、预鉴别单元和阈值自适应单元，过零时刻鉴别单元将激光回波脉冲信号转换为双极性脉冲信号，并提取其过零点时刻作为激光回波到达时刻；预鉴别单元对激光回波脉冲信号进行前沿时刻鉴别，避免噪声或干扰引起过零时刻鉴别单元的误触发；阈值自适应单元自动调节预鉴别单元的阈值大小，避免阈值太大引起预鉴别单元的漏检测。本发明的目的在于消除激光回波脉冲信号幅度效应引起的时间游动和噪声引起的时间抖动，保证时刻鉴别精度从而提高脉冲式激光测距精度，电路简单，方法有效，稳定性强，适用于激光雷达汽车智能防撞，城市建筑和规划，激光近炸引信，激光主动制导等应用。
Description
技术领域
本发明属于激光测量领域，特别是一种双阈值时刻鉴别电路，应用于激光雷达汽车智能防撞，城市建筑和规划，激光近炸引信，激光主动制导等。
背景技术
脉冲式激光测量采用激光器作为光源，以激光作为载波，根据飞行时间原理，通过检测激光发射脉冲与激光回波脉冲之间的时间差来测量距离，具备结构简单，价格低廉，可靠性高，抗干扰性能强，不需要合作目标等优点，在民用和军事上得到了广泛应用。
为了探测激光回波脉冲的到达时刻，一般采用时刻鉴别电路。时刻鉴别的意义在于将激光回波的模拟信号转换为一个具有时间信息的数字逻辑信号。当输入信号的幅值低于某一给定阈值，没有输出信号；而超过这一给定阈值，就输出一个一定幅值的信号。实际情形是，激光回波脉冲在传输过程中容易受到空气中灰尘、烟雾、水汽等物体的衰减和干扰，回波波形会被不同程度地展宽和畸变，经过时刻鉴别电路之后在输出时间上产生差异造成时间抖动。同时回波波形和所探测的目标特性有关，即使是同一目标，同一距离,目标和光路的夹角不同，回波的强度也不相同，导致经过光电转换后的电信号幅度随回波的强度变化而变化，不同幅度经过时刻鉴别电路之后在输出时间上产生差异造成时间游动。
目前主要的时刻鉴别方法包括固定阈值时刻鉴别和定比延时时刻鉴别。固定阈值时刻鉴别电路通过比较激光回波脉冲信号与某一给定阈值的电压大小输出激光回波到达时刻，虽然电路简单，但受幅度时间游动和干扰引起的时间抖动影响明显。定比延时时刻鉴别有效地解决了幅度时间游动，却未曾解决干扰引起的时间抖动。在测量中近距离目标时，回波脉冲强、信噪比高，定比延时时刻鉴别的精度很高，但是测量远距离目标时，回波脉冲往往很弱、信噪比低，干扰引起的时间抖动影响明显，时刻鉴别精度降低。为了能够同时解决幅度时间游动和干扰引起的时间抖动，有必要对上述时刻鉴别电路进行改进和创新。
发明内容
本发明的发明目的在于提供了一种双阈值时刻鉴别电路，保证时刻鉴别精度，有效地提高了脉冲式激光测距的测量精度。
实现本发明目的技术方案为：一种双阈值时刻鉴别电路，包括过零时刻鉴别单元、预鉴别单元和阈值自适应单元，过零时刻鉴别单元将激光回波脉冲信号转换为双极性脉冲信号，并提取其过零点时刻作为激光回波到达时刻；预鉴别单元对激光回波脉冲信号进行前沿时刻鉴别，避免噪声或干扰引起过零时刻鉴别单元的误触发；阈值自适应单元自动调节预鉴别单元的参考阈值大小，避免阈值太大引起预鉴别单元的漏检测。
过零时刻鉴别单元由微分电路和过零比较电路组成，微分电路将激光回波脉冲信号转化为双极性的脉冲信号，过零比较电路提取双极性脉冲信号并输出过零点时刻，该过零点时刻即激光回波到达时刻。预鉴别单元由前沿比较电路和脉冲展宽电路组成，前沿比较电路通过比较激光回波脉冲信号和参考阈值的幅值大小输出使能信号，该使能信号用于对过零时刻鉴别单元的过零比较电路进行使能操作，避免噪声或干扰引起过零时刻鉴别单元的误触发，由于该使能信号脉冲宽度较窄，脉冲展宽电路对其进行展宽。阈值自适应单元由系统控制电路和阈值调节电路组成，系统控制电路根据激光回波到达时刻输出相应的控制量，阈值调节电路根据系统控制电路输出的控制量改变参考阈值大小。
本发明与现有技术相比，其显著优点：采用一种双阈值时刻鉴别电路，包括以零电平作为参考阈值的过零时刻鉴别电路和根据激光回波脉冲幅值大小参考阈值自适应的预鉴别电路，时刻鉴别精度得到了极大地提高，保证了脉冲式激光测距的测量精度，即（1）采用了包括过零时刻鉴别和预鉴别的双阈值时刻鉴别，有效地解决了激光回波脉冲幅度效应引起的时间游动和干扰引起的时间抖动，电路不受噪声和干扰的影响，没有误触发；（2）采用了可编程逻辑器件（CPLD）和多级高频三极管构成的阈值自适应电路，通过CPLD内部编程和高频三极管的开关特性实现了预鉴别电路参考阈值根据激光回波脉冲幅值大小的自适应调节，避免了对激光回波脉冲的漏检测。
附图说明
图 1 是本发明一种双阈值时刻鉴别电路的构成框图。
图 2 是本发明一种双阈值时刻鉴别电路的波形效果图。
图 3 是本发明过零时刻鉴别单元原理图。
图 4 是本发明预鉴别单元原理图。
图 5 是本发明阈值自适应单元原理图。
具体实施方式
本发明一种双阈值时刻鉴别电路包括过零时刻鉴别单元、预鉴别单元和阈值自适应单元，过零时刻鉴别单元由微分电路和过零比较电路顺序连接，微分电路输入单极性的激光回波脉冲信号并将其转化为双极性脉冲信号，过零比较电路提取双极性脉冲信号输出过零点时刻，过零点时刻输入阈值自适应单元作为其内部系统控制电路的控制信号；预鉴别单元由前沿比较电路和脉冲展宽电路顺序连接，前沿比较电路输入单极性的激光回波脉冲信号并比较其与自适应阈值的幅值大小输出使能信号，脉冲展宽电路对使能信号进行脉冲展宽，展宽后的使能信号输入过零时刻鉴别单元作为其内部过零比较电路的使能信号；阈值自适应单元由系统控制电路和阈值调节电路顺序连接，系统控制电路根据输入的过零点时刻输出相应的控制信号，阈值调节电路根据控制信号输出相应的阈值，阈值输入预鉴别单元作为其内部前沿比较电路的自适应阈值。
微分电路包括高速运算放大器OPA、第一电阻R1和第一电容C1，高速运算放大器OPA反向输入端通过第一电容C1和输入信号相连接，正向输入端直接接地，正向输出端通过第一电阻R1与反向输入端相连接；第一电阻R1的两端分别与运算放大器OPA的反向输入端和正向输出端相连接；第一电容C1的两端分别与运算放大器OPA的反向输入端和输入信号相连接。
脉冲展宽电路包括D触发器、非门、第四电阻R4、第五电阻R5和第二电容C2，D触发器的输入端D接电源VCC，时钟端CLK接前沿比较电路的输出信号，正向输出端Q与第四电阻R4的第一端相连接，复位端CLR与非门的输出端相连接；非门的输入端与第五电阻R5的第一端相连接，输出端与D触发器的复位端CLR相连接；第四电阻R4的第一端与D触发器的正向输出端Q相连接，第二端与第五电阻R5的第一端连接；第五电阻R5第一端与非门的输入端相连接，第二端接地；第二电容C2与第五电阻R5并联。
阈值调节电路包括第一高频三极管Q1、第二高频三极管Q2、第三高频三极管Q3、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13和第十四电阻R14，第一高频三极管Q1的基极与第八电阻R8第一端相连接，集电极与第十一电阻R11的第一端相连接，发射极接地；第二高频三极管Q2的基极与第九电阻R9的第一端相连接，集电极与第十二电阻R12的第一端相连接，发射极接地；第三高频三极管Q3的基极与第十电阻R10的第一端相连接，集电极与第十三电阻R13的第一端相连接，发射极接地；第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10的第二端分别与CPLD相连接；第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13的第二端连接在一起；第六电阻R6的第一端与电源VCC相连接，第二端与第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13的第二端相连接；第七电阻R7的第一端与第六电阻R6的第二端相连接，第二端接地；第十四电阻R14的第一端与第六电阻R6的第二端相连接，第二端与CPLD相连接。
下面结合附图对本发明做进一步说明。
结合图1，本发明一种双阈值时刻鉴别电路，包括过零时刻鉴别单元、预鉴别单元和阈值自适应单元，通过过零时刻鉴别单元将激光回波脉冲信号转换为双极性脉冲信号，并提取其过零点时刻作为激光回波到达时刻；通过预鉴别单元对激光回波脉冲信号进行前沿时刻鉴别，避免噪声或干扰引起过零时刻鉴别单元的误触发；通过阈值自适应单元自动调节预鉴别单元的参考阈值大小，避免阈值太大引起预鉴别单元的漏检测。过零时刻鉴别单元由微分电路和过零比较电路组成，微分电路将单极性的激光回波脉冲信号转化为双极性的脉冲信号，过零比较电路提取双极性脉冲信号并输出过零点时刻，该过零点时刻即激光回波到达时刻。预鉴别单元由前沿比较电路和脉冲展宽电路组成，前沿比较电路通过比较激光回波脉冲信号和参考阈值的幅值大小输出使能信号，该使能信号用于对过零时刻鉴别单元的过零比较电路进行使能操作，避免噪声或干扰引起过零时刻鉴别单元的误触发，由于该使能信号脉冲宽度较窄，脉冲展宽电路对其进行展宽。阈值自适应单元由系统控制电路和阈值调节电路组成，系统控制电路根据激光回波到达时刻输出相应的控制量，阈值调节电路根据系统控制电路输出的控制量改变参考阈值大小。
结合图2，本发明一种双阈值时刻鉴别电路，三个组成单元的重要节点信号包括：激光回波脉冲信号Vin，经微分电路微分成型的双极性信号Vbi，前沿比较电路的自适应阈值Vth，前沿比较电路的输出使能信号EN，经脉冲展宽电路展宽后的使能信号LE，和经双阈值时刻鉴别后的激光回波达到时刻信号OUT。双极性信号Vbi的零点时刻对应激光回波脉冲信号Vin的峰值，其位置不受Vin的峰值大小影响，使能信号EN的起始位置与自适应阈值Vth的大小有关，Vth越大，起始位置越靠后，时间t为脉冲展宽电路的展宽时间，最终输出的激光回波达到时刻信号OUT对应过零时刻鉴别电路输出的过零点时刻。
结合图3，本发明的过零时刻鉴别单元包括高速运算放大器OPA、第一高速比较器COMP1和第一电阻R1、第一电容C1，由高速运算放大器OPA、第一电阻R1和第一电容C1构成的微分电路，将激光回波脉冲信号微分成形为双极性脉冲信号；第一高速比较器 COMP1构成过零比较电路，将双极性脉冲信号与零阈值作比较，提取双极性脉冲信号的过零点时刻作为激光回波到达时刻，该过零点时刻正好对应激光回波脉冲信号的峰值时刻，且与激光回波脉冲信号的幅值大小无关。
高速运算放大器OPA选取ADI 公司的AD8007芯片，同相输入端接地，反向输入端通过电容C1与激光回波脉冲信号相连，通过电阻R1与正相输出端相连。根据“虚短”原理，反相输入端也是地电平。又根据“虚断”原理，反相输入端没有电流，即第一电阻R1和第一电容C1上的电流相等。假设第一电容C1上的初始电压为零，则有：
其正相输出端电压可表示为：
正相输出端电压和正相输入端电压满足微分运算关系，激光回波脉冲信号的波形特征近似于高斯脉冲，经过微分运算后转化为双极性脉冲。
第一高速比较器 COMP1选取MAXIM公司的MAX961芯片，正相输入端连接AD8007的正相输出端，反相输入端接地，即参考阈值为零电平，使能端LE与预鉴别单元的输出连接，反向输出端输出激光回波到达时刻，正向输出端与阈值自适应单元连接。当使能端LE拉高，比较器工作，当使能端置低，比较器不工作；当正相输入端电平低于零电平，正向输出端输出低电平，反向输出端输出高电平，当正相输入端电平高于零电平，正向输出端输出高电平，反向输出端输出低电平。
结合图4，本发明的预鉴别单元包括第二高速比较器COMP2、高速D触发器、非门、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5和电容C2，由第二高速比较器COMP2、第二电阻R2和第三电阻R3构成的前沿比较电路通过比较激光回波脉冲信号和参考阈值的幅值大小输出使能信号，该使能信号用于对过零时刻鉴别单元的过零比较电路进行使能操作，避免噪声或干扰引起过零时刻鉴别单元的误触发，由于该使能信号脉冲宽度较窄，需要对其进行展宽。第二电阻R2和第三电阻R3给激光回波脉冲信号提供了一个偏置电压，偏置电压大小为；由D触发器、非门、第四电阻R4、第五电阻R5和第二电容C2构成的脉冲展宽电路，对前沿比较电路输出的使能信号进行展宽，从而保证过零比较电路对使能信号脉冲宽度的要求。
第二高速比较器COMP2选取MAXIM公司的MAX961芯片，正相输入端直接连接激光回波脉冲信号，并通过第二电阻R2与电源VCC连接和第三电阻R3接地，反相输入端与参考阈值连接，使能端接电源VCC，使其一直保持在工作状态。当正相输入端电平低于参考电平，正向输出端输出低电平，反向输出端输出高电平，当正相输入端电平高于参考电平，正向输出端输出高电平，反向输出端输出低电平。
D触发器和非门分别选取TI公司的SN74LVC1G175和SN74AHC1G04芯片，SN74LVC1G175的时钟端CLK与第二高速比较器COMP2的正相输出端连接，输入端D与电源VCC连接，输出端与第二高速比较器COMP2的使能端LE连接，异步清零端CLR与SN74AHC1G04的输出端相连。SN74AHC1G04的输入端通过第四电阻R4与SN74LVC1G175的输出端相连，通过第五电阻R5与地相连，第二电容C2与第五电阻R5并联。时钟端CLK没有触发信号输入时，SN74LVC1G175输出端Q为低电平，异步清零端CLR为高电平，电路处于稳定状态；CLK有触发信号输入时，输出端Q变为高电平，第二电容C2经第四电阻R4充电，异步清零端CLR变为低电平有效，输出端Q拉低。触发信号经展宽后从输出端Q输出，展宽时间t表示为：
结合图5，阈值自适应单元包括可编程逻辑器件CPLD、第一高频三极管Q1、第二高频三极管Q2、第三高频三极管Q3、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13和第十四电阻R14，由可编程逻辑器件CPLD及其外围电路构成系统控制电路，通过检测第一高速比较器 COMP1正相输出端CTL的信号判别有无回波，从而内部编程控制第一高频三极管Q1、第二高频三极管Q2和第三高频三极管Q3的截止或者导通；由第一高频三极管Q1、第二高频三极管Q2、第三高频三极管Q3、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13和第十四电阻R14构成的阈值调节电路通过开关第一高频三极管Q1、第二高频三极管Q2和第三高频三极管Q3的不同组合改变预鉴别单元的阈值大小。初始状态，CPLD的输出端口Q1、Q2和Q3均为低电平，第一高频三极管Q1、第二高频三极管Q2、第三高频三极管Q3均处于截止状态，参考电压处于最大状态，其幅值为：
取R6=R7=R，则上式有
当参考电压Vth大于激光回波脉冲信号的幅值，预鉴别单元输出的使能信号为低电平，第一高速比较器 COMP1不能工作，其正相输出端CTL输出高电平。当CPLD检测到CTL为高电平时，输出端口Q3置高电平，第三高频三极管Q3导通，输出端口Q1和Q2置低电平，第一高频三极管Q1和第二高频三极管Q2处于截止状态，此时的参考电压为：
取R13= 3R，则上式有
这样就完成了参考阈值的一次调节，事实上由于无法估计激光回波脉冲信号的幅值大小，可能参考阈值的一次调节还无法完成预鉴别单元的预鉴别任务，需要更多次的阈值调节。CPLD的三个输出端口Q1、Q2和Q3分别控制第一高频三极管Q1、第二高频三极管Q2和第三高频三极管Q3的开关状态，对输出端口Q1、Q2和Q3进行内部编程操作，初始状态为Q1Q2Q3=000，依次001,010, 011, 100,101,110和111，取R12 =2R，R11=R，参考电压大小变化为：
，
，
，
，，
，
和
。我们可以发现随着编码值的增大，参考电压不断减小，而且相邻参考电压的差值减小。
当正相输出端CTL输出低电平时，意味着参考电压Vth小于激光回波脉冲信号的幅值，预鉴别单元输出的使能信号为高电平，第一高速比较器 COMP1可以有效工作，这时当完成一次预鉴别任务时，Q1Q2Q3的状态复位到000，参考阈值又恢复到最大阈值状态。该阈值自适应电路最少只需要一次自适应就可以完成预鉴别，最多需要八次自适应就可以完成预鉴别，当第八次阈值调节后，正相输出端CTL输出高电平，说明激光回波脉冲信号无法识别。如果需要提过自适应阈值调节的精度，需要增加高频三极管的级数和修改相应的电阻值，这样带来了问题：一是电路的复杂程度增大，二是时刻鉴别的时间增长。
Claims (4)
1.一种双阈值时刻鉴别电路，其特点在于：包括过零时刻鉴别单元、预鉴别单元和阈值自适应单元，过零时刻鉴别单元由微分电路和过零比较电路顺序连接组成，微分电路输入单极性的激光回波脉冲信号并将其转化为双极性脉冲信号，过零比较电路提取双极性脉冲信号输出过零点时刻，过零点时刻输入阈值自适应单元作为其内部系统控制电路的控制信号；预鉴别单元由前沿比较电路和脉冲展宽电路顺序连接组成，前沿比较电路输入单极性的激光回波脉冲信号并比较其与自适应阈值的幅值大小输出使能信号，脉冲展宽电路对使能信号进行脉冲展宽，展宽后的使能信号输入过零时刻鉴别单元作为其内部过零比较电路的使能信号；阈值自适应单元由系统控制电路和阈值调节电路顺序连接组成，系统控制电路根据输入的过零点时刻输出相应的控制信号，阈值调节电路根据控制信号输出相应的阈值，阈值输入预鉴别单元作为其内部前沿比较电路的自适应阈值。
2.根据权利要求1所述的一种双阈值时刻鉴别电路，其特征在于：微分电路包括高速运算放大器OPA、第一电阻(R1)和第一电容(C1)，高速运算放大器OPA反向输入端通过第一电容(C1)和输入信号相连接，正向输入端直接接地，正向输出端通过第一电阻(R1)与反向输入端相连接；第一电阻(R1)的两端分别与运算放大器OPA的反向输入端和正向输出端相连接；第一电容(C1)的两端分别与运算放大器OPA的反向输入端和输入信号相连接。
3.根据权利要求1所述的一种双阈值时刻鉴别电路，其特征在于：脉冲展宽电路包括D触发器、非门、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)和第二电容(C2)，D触发器的输入端D接电源VCC，时钟端CLK接前沿比较电路的输出信号，正向输出端Q与第四电阻(R4)的第一端相连接，复位端CLR与非门的输出端相连接；非门的输入端与第五电阻(R5)的第一端相连接，输出端与D触发器的复位端CLR相连接；第四电阻(R4)的第一端与D触发器的正向输出端Q相连接，第四电阻(R4)的第二端与第五电阻(R5)的第一端连接；第五电阻(R5)第一端与非门的输入端相连接，第五电阻(R5)第二端接地；第二电容(C2)与第五电阻(R5)并联。
4.根据权利要求1所述的一种双阈值时刻鉴别电路，其特征在于：阈值调节电路包括第一高频三极管(Q1)、第二高频三极管(Q2)、第三高频三极管(Q3)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、第九电阻(R9)、第十电阻(R10)、第十一电阻(R11)、第十二电阻(R12)、第十三电阻(R13)和第十四电阻(R14)，第一高频三极管(Q1)的基极与第八电阻(R8)第一端相连接，集电极与第十一电阻(R11)的第一端相连接，发射极接地；第二高频三极管(Q2)的基极与第九电阻(R9)的第一端相连接，集电极与第十二电阻(R12)的第一端相连接，发射极接地；第三高频三极管(Q3)的基极与第十电阻(R10)的第一端相连接，集电极与第十三电阻(R13)的第一端相连接，发射极接地；第八电阻(R8)、第九电阻(R9)、第十电阻(R10)的第二端分别与CPLD相连接；第十一电阻(R11)、第十二电阻(R12)、第十三电阻(R13)的第二端连接在一起；第六电阻(R6)的第一端与电源VCC相连接，第六电阻(R6)的第二端与第十一电阻(R11)、第十二电阻(R12)、第十三电阻(R13)的第二端相连接；第七电阻(R7)的第一端与第六电阻(R6)的第二端相连接，第七电阻(R7)的第二端接地；第十四电阻(R14)的第一端与第六电阻(R6)的第二端相连接，第十四电阻(R14)的第二端与CPLD相连接。
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