CN104777470A - 一种扩展脉冲激光近程动态增益范围电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扩展脉冲激光近程动态增益范围电路，在回波信号经过三级放大电路时，经每一级放大后的电压信号均输入至一路时刻鉴别电路，经过时刻鉴别电路的鉴别后会产生一个STOP信号输入至对应的由TDC-GP21构成的计时电路，最后由FPGA组成的测量控制机会根据已设计的Verilog HDL代码和三个TDC-GP21测量的时间间隔进行判别和优选，进而计算出激光的飞行距离。本发明的优点在于扩展了激光雷达近程测距的动态范围，提高了测距精度，而且电路不需要引入STC或AGC电路来控制激光雷达近程增益。

Description

一种扩展脉冲激光近程动态增益范围电路

技术领域

    本发明涉及脉冲激光测量技术领域，尤其涉及一种扩展脉冲激光近程动态增益范围电路。

背景技术

车载激光雷达通过测量激光脉冲的飞行时间来检测目标相对距离，在近程（几十米范围）测量中，其单次的测量精度达到米级(孙春生et al.2006,周强et al.2012)，然而作为一种可以快速获取目标准确距离的有效手段，这个精度依旧不够，造成精度较差的主要原因是由于接收机电子系统的动态范围的限制。车载激光雷达大都测量车辆前方非合作目标，在近程测距情况下，由于目标的距离、发射特性等均处于大动态范围内变动，使得激光脉冲的回波功率发生剧烈变化。而为了保证高精度的距离测量，回波接收电路必须严格工作在线性区，避免探测到的回波脉冲饱和失真；同时，其输出的信号脉冲幅度需要稳定在一定的范围内，从而减小时刻鉴别带来的漂移误差。llikka Kaisto(Kostamovaara et al. 1983)利用PIN衰减网络控制将回波的动态范围控制在恒比定时电路可以处理的信号幅值内，其实现了从1.5m到10m范围内，精度为1mm的距离测量。Ari Kilpela(Kilpela et al. 2001)利用Gilbert网络将回波的动态范围控制在1：10，实现了0.5-34.5m测量范围内，2mm的测量误差。芬兰Oulu大学的Jan Nissinen(Nissinen et al. 2004)提出两种利用前沿触发结合误差补偿的技术实现了对动态范围为1：1000的回波信号的处理，误差为100ps，本篇文章主要给出了仿真的结果，并没有给出具体的实验结果。2009年，Jan Nissinen(Nissinen et al. 2009)利用前沿双阈值触发和斜率补偿实现了1：10000的大动态范围集成接收芯片。因此，在激光脉冲回波功率大幅度变化的情况下，实现车载激光雷达高精度的测距需要在回波接收电路中引入AGC（自动增益控制）电路(吴文印 1984, 陈希武 et al. 1996, 李金铎 1997, 侯丽娟 et al. 2002, 胡春生 2005, 张坚 2005, 郭颖 et al. 2010, 李鸣 et al. 2011, 朱启 2011),或STC(敏感时间控制)电路(项式浩 2003, 刘嘉明 2012)，或者使用芯片其他的技术实现，然而关于这方面的研究目前并不是很成熟。周强等(周强 et al. 2012)提出一种利用CPLD实现的近程增益控制的方法，测量范围为50-500米，但是精度较差，而且此方法中没有给出小于50米以内近程的实现方式；胡春生(胡春生 2005)提出一种利用RC网络充放电的方式实现控制曲线的方法，实现了30米以内增益控制，由于RC网络充放电的性能的特点，增益曲线的灵活性较差。Zhu(Zhu et al. 2012)提出一种在前置TIA放大器和后处理放大器中都引入AGC的方法，实现了5-500米范围内3cm的误差，然而此种方法由于需要进行峰值采样，所以测量过程都是需要至少两次脉冲发射的过程，其中一次用来采集峰值，根据峰值进行增益调整，整个测量过程耗时较多。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种扩展脉冲激光近程动态增益范围电路。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种扩展脉冲激光近程动态增益范围电路，包括有处理机、发射机和接收机，所述的处理机包括有数据传输电路、测量控制电路和三个计时电路，所述的数据传输电路和测量控制电路之间通过FPGA进行数据传输，所述的发射机包括有驱动电源、激光二极管、PIN探测器和光发送机，所述的接收机包括有光接收机、APD探测器、三级放大电路和三个时刻鉴别电路，所述的测量控制电路产生一束窄脉冲信号传送给所述的驱动电源，驱动电源驱动激光二极管产生激光脉冲信号并分别传送给PIN探测器和光发送机，PIN探测器将探测到的激光脉冲信号分别传送给所述的三个计时电路中作为三个计时电路的起始信号，光发送机将激光脉冲信号转变为激光回波信号并依次发送给所述的光接收机和APD探测器，将激光回波信号转变为微弱电流信号，APD探测器将微弱电流信号传送给三级放大电路，微弱电流信号经过第一级放大后变成电压信号，电压信号再依次经过第二级放大和第三级放大后电压信号分别进行10倍的电压放大，经过第一级放大后的电压信号、第二级放大后的电压信号和第三级放大后的电压信号分别对应的输入至所述的三个时刻鉴别电路中，经过三个时刻鉴别电路产生的三个信号分别对应的输入处理机中的三个计时电路中作为三个计时电路的终止信号，测量控制电路对三个计时电路的激光脉冲信号进行处理，得出激光脉冲的飞行时间，根据飞行时间计算出前方障碍物的距离信息。

所述的三个计时电路是由三个相同的时间间隔测量芯片TDC-GP21组成的三路计时电路。

所述的三级放大电路的第一级放大是采用跨阻放大器OPA657将APD探测器输出的微弱电流信号转换成电压信号并放大，第二级放大和第三级放大均采用电流反馈型放大器AD8009组成的两级正比例放大。

所述的时刻鉴别电路是由两个高速比较器MAX999和门电路SN74AHCT1G08组成的，将经过每一级放大后的信号分别经过信号衰减电路和脉冲延迟电路后分别送至其中一个高速比较器MAX999的反向输入端和正向输入端，当正向输入端的模拟电压信号大于反向输入端的参考电压信号时，高速比较器MAX999输出高电平信号；反之，高速比较器MAX999输出低电平信号；同时，将经每一级放大电路放大后的信号和固定阀值分别送至另一个高速比较器MAX999的正向输入端和反向输入端进行比较，若输入信号的电压幅值大于反相输入端的固定阀值时，高速比较器MAX999输出高电平信号；若正向输入端的输入信号幅值小于反向输入端的固定阀值，高速比较器将输出低电平信号；最后将两个高速比较器MAX999的输出信号分别接入与门电路SN74AHCT1G08的A、B输入端，只有当A和B的输入信号均为高时，与门输出才有效。

本发明的优点是：本发明采用了一种针对回波信号在放大过程的分级处理方法，在回波信号经三级放大后出现饱和的情况下，依然可以通过采用第二级或第一级放大后没饱和的信号作为脉冲激光飞行时间测量的鉴别信号，从而在保证激光雷达系统的测距精度和最大测量距离不变的情况下，使得激光雷达系统可以探测较近物体的距离，有效地扩展了激光雷达测距的动态增益范围。

附图说明

图1为本发明的原理框图。

图2为三级放大电路图。

图3为时刻鉴别电路图。

具体实施方式

如图1所示，一种扩展脉冲激光近程动态增益范围电路，包括有处理机1、发射机2和接收机3，所述的处理机1包括有数据传输电路4、测量控制电路5和三个计时电路6，所述的数据传输电路4和测量控制电路5之间通过FPGA进行数据传输，所述的发射机2包括有驱动电源7、激光二极管8、PIN探测器9和光发送机10，所述的接收机3包括有光接收机11、APD探测器12、三级放大电路13和三个时刻鉴别电路14，所述的测量控制电路5产生一束窄脉冲信号传送给所述的驱动电源7，驱动电源7驱动激光二极管8产生激光脉冲信号并分别传送给PIN探测器9和光发送机10，PIN探测器9将探测到的激光脉冲信号分别传送给所述的三个计时电路6中作为三个计时电路6的起始信号，光发送机10将激光脉冲信号转变为激光回波信号并依次发送给所述的光接收机11和APD探测器12，将激光回波信号转变为微弱电流信号，APD探测器12将微弱电流信号传送给三级放大电路13，微弱电流信号经过第一级放大后变成电压信号，电压信号再依次经过第二级放大和第三级放大后电压信号分别进行10倍的电压放大，经过第一级放大后的电压信号、第二级放大后的电压信号和第三级放大后的电压信号分别对应的输入至所述的三个时刻鉴别电路14中，经过三个时刻鉴别电路14产生的三个信号分别对应的输入处理机1中的三个计时电路6中作为三个计时电路6的终止信号，测量控制电路5对三个计时电路6的激光脉冲信号进行处理，得出激光脉冲的飞行时间，根据飞行时间计算出前方障碍物的距离信息。

所述的三个计时电路6是由三个相同的时间间隔测量芯片TDC-GP21组成的三路计时电路。

如图2所示，所述的三级放大电路13的第一级放大是采用跨阻放大器OPA65715将APD探测器15输出的微弱电流信号转换成电压信号并放大，第二级放大和第三级放大均采用电流反馈型放大器AD800916组成的两级正比例放大。

如图3所示，所述的时刻鉴别电路14是由两个高速比较器MAX99917和门电路SN74AHCT1G0818组成的，将经过每一级放大后的信号分别经过信号衰减电路19和脉冲延迟电路20后分别送至其中一个高速比较器MAX99917的反向输入端和正向输入端，当正向输入端的模拟电压信号大于反向输入端的参考电压信号时，高速比较器MAX99917输出高电平信号；反之，高速比较器MAX99917输出低电平信号；同时，将经每一级放大电路放大后的信号和固定阀值分别送至另一个高速比较器MAX99917的正向输入端和反向输入端进行比较，若输入信号的电压幅值大于反相输入端的固定阀值时，高速比较器MAX99917输出高电平信号；若正向输入端的输入信号幅值小于反向输入端的固定阀值，高速比较器17将输出低电平信号；最后将两个高速比较器MAX99917的输出信号分别接入与门电路SN74AHCT1G0818的A、B输入端，只有当A和B的输入信号均为高时，与门输出才有效。

图1所示，处理机1中测量控制电路5与数据传输4主要利用FPGA实现。测量控制电路5产生一束窄脉冲信号给发射机2中的驱动电源7，在驱动电源7的作用下，半导体激光二极管8产生激光脉冲信号，与此同时，发射机中的PIN探测器9探测到该激光脉冲信号，并将此探测到的时刻输入至三路计时电路6作为TDC-GP21芯片测量的起始信号（也即START信号）；经障碍物反射的激光回波信号通过接收机中的接受光学系统以及APD探测器12后变成微弱电流信号，微弱电流信号经过第一级跨阻放大器后变成电压信号，经跨阻放大器放大后的电压信号还要经过第二级放大器和第三级放大器分别进行10倍的电压放大，至此，完成了对激光回波信号的三级放大，与此同时，经第一级跨阻放大器放大后的电压信号、经第二级放大器放大后的电压信号以及经第三极放大器放大后的电压信号分别对应的输入至时刻鉴别电路_Ⅰ、时刻鉴别电路_Ⅱ以及时刻鉴别电路_Ⅲ；经过时刻鉴别电路_Ⅰ、时刻鉴别电路_Ⅱ和时刻鉴别电路_Ⅲ产生的STOP_Ⅰ信号、STOP_Ⅱ信号和STOP_Ⅲ信号分别对应地输入处理机中的计时电路_Ⅰ、计时电路_Ⅱ和计时电路_Ⅲ中作为TDC-GP21的终止时刻（也即STOP信号），最后，测量控制电路根据计时电路测量的激光脉冲的飞行时间计算出前方障碍物的距离等信息。

Claims (4)

1.一种扩展脉冲激光近程动态增益范围电路，其特征在于：包括有处理机、发射机和接收机，所述的处理机包括有数据传输电路、测量控制电路和三个计时电路，所述的数据传输电路和测量控制电路之间通过FPGA进行数据传输，所述的发射机包括有驱动电源、激光二极管、PIN探测器和光发送机，所述的接收机包括有光接收机、APD探测器、三级放大电路和三个时刻鉴别电路，所述的测量控制电路产生一束窄脉冲信号传送给所述的驱动电源，驱动电源驱动激光二极管产生激光脉冲信号并分别传送给PIN探测器和光发送机，PIN探测器将探测到的激光脉冲信号分别传送给所述的三个计时电路中作为三个计时电路的起始信号，光发送机将激光脉冲信号转变为激光回波信号并依次发送给所述的光接收机和APD探测器，将激光回波信号转变为微弱电流信号，APD探测器将微弱电流信号传送给三级放大电路，微弱电流信号经过第一级放大后变成电压信号，电压信号再依次经过第二级放大和第三级放大后电压信号分别进行10倍的电压放大，经过第一级放大后的电压信号、第二级放大后的电压信号和第三级放大后的电压信号分别对应的输入至所述的三个时刻鉴别电路中，经过三个时刻鉴别电路产生的三个信号分别对应的输入处理机中的三个计时电路中作为三个计时电路的终止信号，测量控制电路对三个计时电路的激光脉冲信号进行处理，得出激光脉冲的飞行时间，根据飞行时间计算出前方障碍物的距离信息。

2.根据权利要求1所述的一种扩展脉冲激光近程动态增益范围电路，其特征在于：所述的三个计时电路是由三个相同的时间间隔测量芯片TDC-GP21组成的三路计时电路。

3.根据权利要求1所述的一种扩展脉冲激光近程动态增益范围电路，其特征在于：所述的三级放大电路的第一级放大是采用跨阻放大器OPA657将APD探测器输出的微弱电流信号转换成电压信号并放大，第二级放大和第三级放大均采用电流反馈型放大器AD8009组成的两级正比例放大。

4.根据权利要求1所述的一种扩展脉冲激光近程动态增益范围电路，其特征在于：所述的时刻鉴别电路是由两个高速比较器MAX999和门电路SN74AHCT1G08组成的，将经过每一级放大后的信号分别经过信号衰减电路和脉冲延迟电路后分别送至其中一个高速比较器MAX999的反向输入端和正向输入端，当正向输入端的模拟电压信号大于反向输入端的参考电压信号时，高速比较器MAX999输出高电平信号；反之，高速比较器MAX999输出低电平信号；同时，将经每一级放大电路放大后的信号和固定阀值分别送至另一个高速比较器MAX999的正向输入端和反向输入端进行比较，若输入信号的电压幅值大于反相输入端的固定阀值时，高速比较器MAX999输出高电平信号；若正向输入端的输入信号幅值小于反向输入端的固定阀值，高速比较器将输出低电平信号；最后将两个高速比较器MAX999的输出信号分别接入与门电路SN74AHCT1G08的A、B输入端，只有当A和B的输入信号均为高时，与门输出才有效。