CN106680829B - 线阵实时成像脉冲激光雷达装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线阵实时成像脉冲激光雷达装置，包括2个光学发射天线、2个N元激光二极管阵列、窄脉冲激光驱动电路、时序控制电路、光学接收天线、2N+1元APD探测器阵列、偏置高压自动控制电路、2N+1路并行前置放大电路、2N+1路并行脉冲整形电路、2N路二进制信号并行预处理电路和2N路并行高精度时间‑数字转换电路。本发明采用激光二极管阵列结合视场拼接照明、线阵APD探测器接收、恒虚警自动增益控制和实时平行信号预处理，可实现大视场、高空间分辨率成像，且具有小型化和低功耗等优点，能在低信噪比条件下进行高准测实时测距，可用于低空对地三维成像和车载三维场景获取等领域。

Description

线阵实时成像脉冲激光雷达装置

技术领域

本发明涉及一种激光雷达装置，特别是一种线阵实时成像脉冲激光雷达装置。

背景技术

随着激光技术的发展，激光雷达技术由单点快速扫描探测成像向着线阵实时成像方向发展。线阵实时成像可大幅度的提高距离成像的帧频，在测量测绘、工业生产、军事侦察、航空航天等诸多领域均具有广阔的应用前景。

现有的采用脉冲飞行时间测距原理的线阵激光雷达技术通常是将激光器输出的激光束整形成条形激光发射，然后由线阵APD探测器进行激光回波接收，APD探测器输出的激光回波电信号经放大、整形后，作为计时停止信号控制计时电路给出目标距离。这种实现方法采用了泛光照明技术，考虑到线阵APD探测器的敏感元有一定的占空比，这使得发射激光能量的利用率较低，难以实现大视场工作，且不利于小型化和低功耗设计。线阵APD探测器中不同敏感元具有不同的雪崩点，且随环境温度和背景光的变化而变化，因此需要进行线阵APD探测器阵列工作点的可靠控制，在现有技术中未述及，这导致线阵激光雷达的高低温环境和背景光环境的适应能力较差。在信号处理上，现有技术采用了高精度计时电路或时间-数字转换(TDC)电路，未述及测距回波信号的预处理问题，使得线阵激光雷达难以在低信噪比条件下实现测距的高准测率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种线阵实时成像脉冲激光雷达装置。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种线阵实时成像脉冲激光雷达装置，包括第一光学发射天线、第一N元激光二极管阵列、第二光学发射天线、第二N元激光二极管阵列、窄脉冲激光驱动电路、时序控制电路、光学接收天线、2N+1元APD探测器阵列、偏置高压自动控制电路、2N+1路并行前置放大电路、2N+1路并行脉冲整形电路、2N路二进制信号并行预处理电路和2N路并行高精度时间-数字转换电路，第一光学发射天线和第二光学发射天线的光轴平行，且焦面上分别设置第一N元激光二极管阵列和第二N元激光二极管阵列，第一N元激光二极管阵列和第二N元激光二极管阵列的中心在焦面内相向偏离第一光学发射天线和第二光学发射天线的焦点1/2像元间隔；

第一N元激光二极管阵列和第二N元激光二极管阵列均与窄脉冲激光驱动电路相连；光学接收天线的光轴与第一光学发射天线和第二光学发射天线的光轴平行，且在焦面上设置2N+1元APD探测器阵列，其接收视场一一覆盖第一N元激光二极管阵列和第二N元激光二极管阵列形成的发射光斑；2N+1元APD探测器阵列的高压供电端与偏置高压自动控制电路相连，2N+1元APD探测器阵列的输出与2N+1路并行前置放大电路的输入相连；2N+1路并行前置放大电路的输出与2N+1路并行脉冲整形电路的输入相连；2N+1路并行脉冲整形电路的前2N路输出与2N路二进制信号并行预处理电路的输入相连，2N+1路并行脉冲整形电路的最后一路输出与偏置高压自动控制电路相连；2N路二进制信号并行预处理电路的输出与2N路并行高精度时间-数值转换电路的输入相连；时序控制电路分别与窄脉冲激光驱动电路和2N路高精度时间-数字转换电路相连。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

(1)本发明的线阵实时成像脉冲激光雷达装置采用激光二极管阵列作为光源，同时引入了视场拼接技术，可实现大视场、高空间分辨率成像，且具有小型化和低功耗等突出优势；

(2)本发明在高精度计时电路之前引入了具备信号高速采样、存储、视频递推累加和相关识别功能的二进制信号并行预处理电路，可有效剔除二进制回波信号中的虚警脉冲，实现低信噪比条件下的高准测实时脉冲测距；

(3)本发明的激光回波接收机与激光发射机相比多1路接收，用于监测背景光强，结合恒虚警控制原理的偏置高压自动控制电路实现了APD探测器阵列工作电压的实时自动设置，使线阵激光雷达具备了更好的高低温和背景光环境适应能力。

(4)本发明的线阵实时成像脉冲激光雷达装置采用门电路延迟高精度计时技术，结合电压调节温度补偿方法，保证了计时电路具有很高的温度稳定性。

附图说明

图1为本发明的线阵实时成像脉冲激光雷达装置的结构示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明的一种线阵实时成像脉冲激光雷达装置，包括第一光学发射天线1、第一N元激光二极管阵列2、第二光学发射天线3、第二N元激光二极管阵列4、窄脉冲激光驱动电路5、时序控制电路6、光学接收天线7、2N+1元APD探测器阵列8、偏置高压自动控制电路9、2N+1路并行前置放大电路10、2N+1路并行脉冲整形电路11、2N路二进制信号并行预处理电路12和2N路并行高精度时间-数字转换电路13，第一光学发射天线1和第二光学发射天线3的光轴平行，且焦面上分别设置第一N元激光二极管阵列2和第二N元激光二极管阵列4，第一N元激光二极管阵列2和第二N元激光二极管阵列4的中心在焦面内相向偏离第一光学发射天线1和第二光学发射天线3的焦点1/2像元间隔；

第一N元激光二极管阵列2和第二N元激光二极管阵列4均与窄脉冲激光驱动电路5相连；光学接收天线7的光轴与第一光学发射天线1和第二光学发射天线3的光轴平行，且在焦面上设置2N+1元APD探测器阵列8，其接收视场一一覆盖第一N元激光二极管阵列2和第二N元激光二极管阵列4形成的发射光斑；2N+1元APD探测器阵列8的高压供电端与偏置高压自动控制电路9相连，2N+1元APD探测器阵列8的输出与2N+1路并行前置放大电路10的输入相连；2N+1路并行前置放大电路10的输出与2N+1路并行脉冲整形电路11的输入相连；2N+1路并行脉冲整形电路11的前2N路输出与2N路二进制信号并行预处理电路12的输入相连，2N+1路并行脉冲整形电路的最后一路输出与偏置高压自动控制电路9相连；2N路二进制信号并行预处理电路12的输出与2N路并行高精度时间-数值转换电路13的输入相连；时序控制电路6分别与窄脉冲激光驱动电路5和2N路高精度时间-数字转换电路13相连。

第一光学发射天线1、第二光学发射天线3和光学接收天线7的焦距比等于第一N元激光二极管阵列2、第二N元激光二极管阵列4和2N+1元APD探测器阵列8中像元间隔的比，2N+1元APD探测器阵列8的占空比大于N元激光二极管阵列2、4的占空比。

2N+1元APD探测器阵列8的探测元比第一N元激光二极管阵列2和第二N元激光二极管阵列4的发光结多一个，用于监测背景光强，反馈给偏置高压自动控制电路9实时进行探测器工作偏压的恒虚警设定。

2N路二进制信号并行预处理电路12由依次相连的信号高速二值采样、存储、视频递推累加和相关识别电路组成。

采用2个N元激光二极管阵列作为激光发光源，利用2个光学发射天线的视场拼接，形成2N路阵列激光的同步发射；由光学接收天线、2N+1元APD探测器阵列、2N+1路并行前置放大电路和2N+1路脉冲整形电路构成2N路激光回波接收机，输出二进制信号，其中前2N路用于接收激光回波信号，最后一路用于监测背景光强；偏置高压自动控制电路以恒虚警原理为基础根据背景光强的二进制信号对2N+1元APD探测器阵列的工作电压进行实时自动调整；二进制激光回波信号由2N路二进制信号并行预处理电路进行信号高速采样、存储、视频递推累加和相关识别，剔除二进制回波信号中的虚警脉冲；然后由2N路高精度时间-数值转换电路精确给出2N路距离数据。

本实施方式中，第一光学发射天线1和第二光学发射天线3的焦距为52mm，通光口径Φ25mm；光学接收天线7的焦距为60mm，通光口径为Φ30mm；N取12，其中，第一12元激光二极管阵列2和第二12元激光二极管阵列4为OSRAM公司的12元激光二极管阵列，2N+1元APD探测器阵列8采用EXCEKTTAS公司的25元APD探测器阵列，偏置高压自动控制电路9由C8051单片机和海声公司的500V高压模块组成，2N+1路并行前置放大电路10为25路跨阻放大电路，芯片为AD8015放大器；2N+1路并行脉冲整形电路11为25个EUA962高速比较器,2N路二进制信号并行预处理电路12为ALTERA公司的大规模可编程逻辑器件Cyclone EP1C3T10017N，2N路并行高精度时间-数值转换电路13为3片ACAM公司的TDC-GPX时间-数字转换芯片。

Claims (3)

1.一种线阵实时成像脉冲激光雷达装置，其特征在于，包括第一光学发射天线[1]、第一N元激光二极管阵列[2]、第二光学发射天线[3]、第二N元激光二极管阵列[4]、窄脉冲激光驱动电路[5]、时序控制电路[6]、光学接收天线[7]、2N+1元APD探测器阵列[8]、偏置高压自动控制电路[9]、2N+1路并行前置放大电路[10]、2N+1路并行脉冲整形电路[11]、2N路二进制信号并行预处理电路[12]和2N路并行高精度时间-数字转换电路[13]，第一光学发射天线[1]和第二光学发射天线[3]的光轴平行，且焦面上分别设置第一N元激光二极管阵列[2]和第二N元激光二极管阵列[4]，第一N元激光二极管阵列[2]和第二N元激光二极管阵列[4]的中心在焦面内相向偏离第一光学发射天线[1]和第二光学发射天线[3]的焦点1/2像元间隔；所述2N路二进制信号并行预处理电路[12]由依次相连的信号高速二值采样、存储、视频递推累加和相关识别电路组成；

第一N元激光二极管阵列[2]和第二N元激光二极管阵列[4]均与窄脉冲激光驱动电路[5]相连；光学接收天线[7]的光轴与第一光学发射天线[1]和第二光学发射天线[3]的光轴平行，且在焦面上设置2N+1元APD探测器阵列[8]，其接收视场一一覆盖第一N元激光二极管阵列[2]和第二N元激光二极管阵列[4]形成的发射光斑；2N+1元APD探测器阵列[8]的高压供电端与偏置高压自动控制电路[9]相连，2N+1元APD探测器阵列[8]的输出与2N+1路并行前置放大电路[10]的输入相连；2N+1路并行前置放大电路[10]的输出与2N+1路并行脉冲整形电路[11]的输入相连；2N+1路并行脉冲整形电路[11]的前2N路输出与2N路二进制信号并行预处理电路[12]的输入相连，2N+1路并行脉冲整形电路的最后一路输出与偏置高压自动控制电路[9]相连；2N路二进制信号并行预处理电路[12]的输出与2N路并行高精度时间-数值转换电路[13]的输入相连；时序控制电路[6]分别与窄脉冲激光驱动电路[5]和2N路高精度时间-数字转换电路[13]相连。

2.根据权利要求书1所述的一种线阵实时成像脉冲激光雷达装置，其特征在于，第一光学发射天线[1]、第二光学发射天线[3]和光学接收天线[7]的焦距比等于第一N元激光二极管阵列[2]、第二N元激光二极管阵列[4]和2N+1元APD探测器阵列[8]中像元间隔的比，2N+1元APD探测器阵列[8]的占空比大于N元激光二极管阵列[2]、[4]的占空比。

3.根据权利要求书1所述的线阵实时成像脉冲激光雷达装置，其特征在于，2N+1元APD探测器阵列[8]的探测元比第一N元激光二极管阵列[2]和第二N元激光二极管阵列[4]的发光结多一个，用于监测背景光强，反馈给偏置高压自动控制电路[9]实时进行探测器工作偏压的恒虚警设定。