CN107340523A - 基于激光外差探测的测速测距系统及测速测距方法 - Google Patents

Abstract

为了解决传统测速测距系统抗干扰能力差的问题，本发明提供了一种抗干扰能力好的基于激光外差探测的测速测距系统及测速测距方法。测速测距系统包括激光器、光路发射组件、光路接收组件、处理器、分束器、合束器和焦平面阵列探测器；分束器的输入端与激光器的输出端相连；分束器分出的两路光信号中：一路光信号送入光路发射组件并投射到待测目标物上，另一路光信号直接送入合束器；光路接收组件接收所述回波信号，并进行滤波后汇聚到合束器的输入端；合束器用于将分束器分出的一路光信号和所述回波信号进行相干混频得到的差频信号；焦平面阵列探测器对差频信号进行采样、处理、模数转换后送入处理器；处理器获取待测目标物的速度和距离信息。

Description

基于激光外差探测的测速测距系统及测速测距方法

技术领域

本发明属于激光探测技术领域，具体涉及一种基于激光外差探测的测速测距系统及测速测距方法。

背景技术

测速测距相干激光雷达是激光雷达技术、相干探测技术、信号处理技术的综合应用之一，广泛应用在航空航天、目标监控、风场测量等诸多领域，在军事和民用领域都有着广阔的应用前景。然而，在用激光雷达对运动物体尤其是行驶中的车辆进行测速、测距时，因路面行驶车辆多，若同时或分时发射激光信号来探测目标距离及速度，车辆之间存在很强的干扰性，容易造成测量不够精准的问题。

另外，传统的车载激光雷达探测器多数采用单点测试方式，其需要配置机械扫描装置，扫描速度缓慢，图像空间分辨率低。为了提高扫描速度需要选用焦平面阵列探测器，但是由于现有焦平面阵列探测器芯片封装工艺绝大多数是将探测器阵列与读出电路阵列分离为两层，将探测器阵列置于芯片底层，其上一层为读出电路的A/D转换器及放大电路，二极管在接收光信号时先要透过二极管上层的读出电路的线路层，由于光投射到线路层时容易发生光反射造成光损失，减少了二极管的受光量。

发明内容

为了解决传统测速测距系统抗干扰能力差的问题，本发明提供了一种抗干扰能力好的基于激光外差探测的测速测距系统及测速测距方法。

本发明的技术方案是：

一种激光外差探测的测速测距系统，包括激光器、光路发射组件、光路接收组件、处理器；其特殊之处在于：

还包括分束器、合束器和焦平面阵列探测器；

所述分束器的输入端与所述激光器的输出端相连；所述分束器分出的两路光信号中：其中一路光信号送入光路发射组件并投射到待测目标物上，另一路光信号直接送入所述合束器；

所述光路接收组件接收待测目标物返回的回波信号，并将回波信号滤波后汇聚到合束器的输入端；

所述合束器用于将分束器分出的一路光信号和所述光路接收组件输出的回波信号进行相干混频，得到包含目标距离和速度的差频信号；

所述焦平面阵列探测器对所述差频信号进行采样、处理、模数转换后送入处理器；

所述处理器获取待测目标物的速度和距离信息。

进一步地，上述焦平面阵列探测器为大面阵的焦平面芯片，包括衬底以及集成在衬底上的互连金属、金属布线层、像素单元阵列、信号处理电路、时序控制电路和用于生成行选信号的行选模块；

像素单元阵列通过互连金属与金属布线层相连，金属布线层通过数据列线与信号处理电路相连；

像素单元阵列由多个独立的、对应不同的空间视场角的像素单元构成，每个像素单元均包括设置在衬底与金属布线层之间的光电二极管和用于将光电二极管输出的电流信号转换为电压信号并进行滤波处理的采样/处理电路；

信号处理电路包括模数转换模块和数据输出模块；模数转换模块的输入端与采样/处理电路的输出端相连，模数转换模块的输出端与数据输出模块的输入端相连；数据输出模块包括用于生成列选信号的列选模块；

模数转换模块用于将采样/处理电路输出的电压信号转换为数字信号；时序控制电路用于控制所述行选模块和所述列选模块工作；数据输出模块用于输出通过所述行选模块和列选模块所确定的像素单元内的数字信号。

进一步地，上述采样/处理电路包括开关S1、S2、电容C3、电流-电压转换电路和带通滤波电路；

开关S1的一端与光电二极管的负极端相连，开关S1的另一端与电容C3的一端相连，电容C3的另一端与电流-电压转换电路的输入端相连，电流-电压转换电路的输出端与带通滤波电路的输入端相连，带通滤波电路的输出作为采样/处理电路的输出；开关S2并联在电容C3的两端；

电流-电压转换电路由运算放大器Opamp1及阻容器件C1、C2、R1、R2构成；电阻R1和电容C1并联设置，其一端均同时与运算放大器Opamp1的反向输入端以及电容C3相连，另一端均与运算放大器Opamp1的输出端相连；电阻R2和电容C2并联设置，其一端均与运算放大器Opamp1的同向输入端相连，另一端均接地；

带通滤波电路由运算放大器Opamp2，阻容器件R3、R4、R5、R6、R7及C4、C5构成；电阻R3的一端与运算放大器Opamp1的输出端相连，电阻R3的另一端通过电容C5接运算放大器Opamp2的同向输入端，电阻R4的一端接地，电阻R4的另一端接电容C5和运算放大器Opamp2同向输入端之间的节点，电阻R5的一端接地，电阻R5的另一端分别接电阻R6的一端和运算放大器Opamp2的反向输入端，电阻R6的另一端通过电阻R7接电阻R3和电容C5之间的节点，电容C4的一端接电容C5和R3之间的节点，电容C4的另一端接地。

进一步地，上述模数转换模块包括斜波产生电路和多个比较器；斜波产生电路用于产生三角波；比较器的数量等于像素单元阵列的列数，一个比较器对应一列像素单元；斜波产生电路的波形信号输出端与每个比较器的其中一个输入端均相连，每一列像素单元的采样/处理电路所输出的电压信号均通过数据列线送入该列像素单元所对应的比较器的另一个输入端，所有比较器的输出端均接数据输出模块的输入端；

数据输出模块还包括Nbit计数器、输出缓冲模块和多个存储器；多个存储器的输入端分别与所述多个比较器的输出端一一对应相连，Nbit计数器和列选模块分别发送控制信号给所述多个存储器的控制端，所述多个存储器的数据输出端均通过数据总线与输出缓冲模块的输入端相连，由输出缓冲模块的输出端输出数字信号。

进一步地，上述采样/处理电路包括开关S1、S2、高通滤波电路、电流-电压转换电路和低通滤波电路；

开关S1的一端与光电二极管的负极端相连，开关S1的另一端与高通滤波电路的输入端相连，高通滤波电路的输出端与电流-电压转换电路的输入端相连，电流-电压转换电路的输出端与低通滤波电路的输入端相连，低通滤波电路的输出作为采样/处理电路的输出；开关S2并联在高通滤波电路中电容C1的两端；

高通滤波电路由运算放大器Opamp1及阻容器件C1、C2、R1、R2、R3、R4构成；电容C1的一端接开关S1，电容C1的另一端接电容C2的一端，电容C2的另一端接运算放大器Opamp1的同向输入端，电容C1的两端并联有开关S2；电阻R1的一端接地，电阻R1的另一端同时接电阻R3的一端和运算放大器Opamp1的反向输入端，电阻R3的另一端同时接电阻R2的一端和运算放大器Opamp1的输出端，电阻R2的另一端接电容C1和C2之间的节点，电阻R4的一端接电容C2和运算放大器Opamp1的同向输入端之间的节点，电阻R4的另一端接地；

电流-电压转换电路由运算放大器Opamp2及阻容器件C3、C4、R5、R6构成；电阻R5和电容C3并联设置，其一端均与运算放大器Opamp2的反向输入端相连，另一端均与运算放大器Opamp2的输出端相连；电阻R6和电容C4并联设置，其一端均与运算放大器Opamp2的同向输入端相连，另一端均接地；运算放大器Opamp2的反向输入端还与运算放大器Opamp1的输出端相连；

低通滤波电路由运算放大器Opamp3及阻容器件C5、C6、R7、R8、R9、R10构成；电阻R7的一端接电流-电压转换电路中运算放大器Opamp2的输出端，电阻R7的另一端通过电阻R9接运算放大器Opamp3的同向输入端，电阻R8的一端接地，电阻R8的另一端同时接电阻R10的一端和运算放大器Opamp3的反向输入端，电阻R10的另一端同时接运算放大器Opamp3的输出端和电容C5的一端，电容C5的另一端接电阻R7和电阻R9之间的节点，电容C6的一端接电阻R9和运算放大器Opamp3的同向输入端之间的节点，电容C6的另一端接地。

进一步地，上述模数转换模块包括斜波产生电路和多个比较器；斜波产生电路用于产生三角波；比较器的数量等于像素单元阵列的列数，一个比较器对应一列像素单元；斜波产生电路的波形信号输出端与每个比较器的其中一个输入端均相连，每一列像素单元的采样/处理电路所输出的电压信号均通过数据列线送入该列像素单元所对应的比较器的另一个输入端，所有比较器的输出端均接数据输出模块的输入端；

数据输出模块还包括Nbit计数器、输出缓冲模块和多个存储器；多个存储器的输入端分别与所述多个比较器的输出端一一对应相连，Nbit计数器和所述列选模块分别发送控制信号给所述多个存储器的控制端，所述多个存储器的数据输出端均通过数据总线与输出缓冲模块的输入端相连，由输出缓冲模块的输出端输出数字信号。

进一步地，上述衬底的底部设置有由多个菲涅尔透镜构成的微透镜阵列；每个菲涅尔透镜对应一个像素单元，用于透射回波信号光并使回波信号光汇聚到对应像素单元的光电二极管上。

进一步地，上述激光外差探测的测速测距系统还包括扩束镜组一和扩束镜组二；扩束镜组一设置在分束器和光路发射组件之间；扩束镜组二设置在分束器和合束器之间。

本发明还提供了一种利用上述测速测距系统进行测速测距的方法，包括以下步骤：

1)将激光器发出的光信号分束：其中一束光投射到待测目标物上，另一束光作为本征信号光；

2)接收待测目标物反射的回波信号光，并进行滤波、汇聚；

3)将本征信号光和回波信号光进行相干混频，得到包含目标距离和速度的差频信号；

4)利用三角波调制激光器发出的光信号，在一个完整的测试周期内，焦平面阵列探测器的各像素单元分别在所述三角波的上升沿和下降沿各采集一次差频信号，将其处理后转换为数字信号；所述一个完整的测试周期包含一个频率上升沿和一个频率下降沿；

5)利用所述数字信号计算待测目标物的距离和速度。

进一步地，上述步骤5)计算被测物的距离和速度的方法如下：

当时，

距离

速度

当时，

距离

速度

其中：

v为待测目标物的相对移动速度，

f为发射信号的中心频率，

c为光速；

为上升沿差频；

为下降沿差频。

进一步地，上述方法还包括对分束后的光信号分别进行整形扩束的步骤。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明将焦平面阵列探测器探测的待测目标物返回的回波信号和激光器发出的部分本征信号进行相干混频，得到包含目标距离和速度的差频信号，对差频信号进行采样、处理和模数转换后送入处理器，得到距离和速度信息，该系统噪声滤除能力好、测量精度高，稳定性好，抗干扰能力强。

2、本发明利用阵列探测器避免了测速测距系统对机械扫描装置的依赖，同时提高了系统的可靠性。

3、焦平面阵列探测器采用大面阵的焦平面芯片，由多个独立的像素单元构成，每个像素单元均具有完整的读出电路，工作时每个像素单元同时在进行数据转化，扫描速度快；每个像素单元经过镜头对应不同的空间视场角，图像空间分辨率高。

4、焦平面芯片中的每个像素单元内光电二极管与采样/处理电路集成于一体，电路简单，对信号的处理在一个小尺寸的芯片内实现。

5、焦平面芯片采用背照式设计，其金属布线层设置在光电二极管的底层，光电二极管可以直接与透光面接触，减少了中间环节光线的损失，而且有效的减少了芯片厚度。

6、焦平面芯片的衬底底部设有微透镜阵列，每个像素单元对应一个微透镜，更有效将回波信号光汇聚在对应的像素单元上，减少了像素单元之间多余的光线干扰。

附图说明

图1为本发明测速测距系统的结构示意图；

图2为图1所示系统的光路接收与外差混频干涉的光路示意图；

图3为本发明中焦平面芯片的整体结构示意图；

图4为本发明中焦平面芯片的组成结构示意图；

图5为本发明中焦平面芯片的侧视剖面图；

图6为本发明中焦平面芯片的读出电路及输出接口系统整体结构示意图；

图7为图6所示的焦平面芯片的像素输出布线图；

图8为本发明中焦平面芯片的读出电路整体原理框图；

图9为图8中采样/处理电路一种实施方式的原理图；

图10为图8中采样/处理电路另一种实施方式的电路原理图；

图11为本发明的焦平面芯片的一维行选通模块输出示意图；

图12为本发明的焦平面芯片的二维行/列选通模块输出示意图；

图13为本发明的焦平面芯片中的像素采样/处理单元的模拟开关控制信号时序控制图；

图14为本发明的焦平面芯片的读出电路的寻址行使能选通开关逻辑示意图；

图15为本发明的焦平面芯片的读出电路的寻址列使能选通开关逻辑示意图。

附图标记说明：

1-调制器，2-激光器，3-分束器，4-扩束镜组一，5-光路发射组件，6-扩束镜组二，7-合束器，8-焦平面阵列探测器，801-微透镜阵列，802-衬底，803-器件有源区(外延层)，804-金属布线层，805-互连金属，806-像素单元阵列，807-数据列线，808-信号处理电路，8322、8324-N型掺杂层，8325-P型掺杂层，8326-阴极电极，8327-阳极电极，8328-SiO₂隔离层，8031-光电二极管，8032-采样/处理电路，9-光路接收组件，901-透镜，902-滤波片；10-处理器；11-待测目标物，12-本征信号光，13-回波信号光；14-行选通地址线；15-数据总线。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作详细说明。

如图1所示，本发明所提供的测速测距系统主要由调制器1、激光器2、分束器3、光路发射组件5、光路接收组件9、合束器7、焦平面阵列探测器8及处理器10组成。

处理器10发出方波信号输入给调制器1，经调制器1积分转换后产生三角波信号对激光器2的发出的光源进行调制，分束器3将激光器2的输出光束分为两路：一路作为传输信号光进入光路发射组件5，通过光路发射组件5投射到待测目标物11上；另一路光作为本征信号光进入合束器7中。光路接收组件9接收待测目标物11返回的回波信号光，并将接收到的回波信号光滤波后汇聚至合束器7的输入端；

合束器7将其接收到的本征信号光和回波信号光进行相干混频，得到包含目标距离和速度的差频信号；

焦平面阵列探测器8接收合束器7产生的差频信号，并对该差频信号进行采样、处理、模数转换后得到数字信号，将该数字信号通过数据总线传输给处理器10。

为了更好的理解本发明，这里详细介绍一下合束器7对其接收到的两路信号光进行相干混频过程得到差频信号的原理：

混频是一种矢量加法运算，将回波信号光E_SIG与本征信号光E_LO分别用下列方程表示：

E_SIG＝E_S cos(ω_ct+θ(t)) (1)

E_LO＝E_L cos(ω_c+ω_IF)t (2)

其中：

ω_c为光载波角频率；

θ(t)为频率调制信号；

ω_IF为差频信号的角频率，其频率为射频段，频率在10⁷-10⁹H_Z之间；

E_S是传输信号光的电场强度；

E_L是本征信号光的电场强度。

焦平面阵列探测器8的电流正比于光强(电场的平方)

I＝(E_SIG+E_LO)² (3)

将公式(1)、(2)带入公式(3)，并用E_S、E_L代替E_SIG、E_LO简化得到：

考察式(4)，其中第1，2，4项中都有角频率为2ω_c，频率量级非常高，探测器8响应不及，因此会被探测器8滤掉，或者认为恒定的直流偏置。

除去2ω_c高频部分，式(4)剩余部分为：

转换到功率表达为：

i_dc、i_ac电流表达式为：

其中：

η为量子效率；

e为电子电荷1.6×10^-19C；

h为普朗克常数6.63×10^-19J/S；

υ为光信号的频率；

hυ为光子能量；

P_L是本征信号光功率；

P_S是传输信号光功率；

i_dc为直流电流信号；

i_ac为交流电流信号。

之前提到，ω_IF为差频信号的角频率，其包含距离信息，差频信号的频率

探测距离为：

其中：

d为探测距离，c为光速，T为调制波的周期，B为调制带宽。

作为进一步优化，本发明在分束器3和光路发射组件5之间设置扩束镜组一4，在分束器3和合束器7之间设置扩束镜组二6，分别对分束器3分出的两路光进行扩束整形。扩束镜组一4和扩束镜组二6均可选用光学透镜、反射镜或者自由曲面透镜。

本发明各光学器件的优选形式：

1、光路发射组件5优选光学透镜、反射镜或者自由曲面透镜。

2、光路接收组件9优选光学透镜901和滤波片902的组合，光学透镜901的作用是将待测目标物11反射的回波信号汇聚，滤波片902的作用是滤除被汇聚后的回波信号中的背景和其他干扰。这里需要说明的是将光学透镜901用反射镜或者自由曲面透镜替代，能达到相同的效果。

3、分束器3优选N：(1-N)的光耦合器，其中，N为本征光；(1-N)为发射光，0<N<1。

4、激光器2选用不可见激光，窄线宽。

为了达到提高扫描速度以及图像空间分辨率的目的，本发明的焦平面阵列探测器8采用大面阵的焦平面芯片，参见图3和图6，该焦平面芯片包括衬底802(材料为Si)以及集成在衬底802上的像素单元阵列806、信号处理电路808、时序控制电路和行选模块；像素单元阵列806通过互连金属805(该互连金属作为接触以实现器件与Si衬底的连接)与金属布线层804集成于一体，金属布线层804通过数据列线807与信号处理电路808相连。

如图4所示，金属布线层804由多个金属布线单元构成，每个金属布线单元分别对应一个像素单元；每个金属布线单元是由多层金属层和多层介质层构成，在每层金属层上均设有连接点，多层介质层分别设置在相邻两层金属层之间，介质层的材料为SiO₂。

如图4所示，衬底802底部还设置有与衬底802集成于一体的微透镜阵列801，微透镜阵列801由多个菲涅尔透镜构成，每个菲涅尔透镜对应一个像素单元，用于透射回波信号光并使回波信号光汇聚到对应像素单元的光电二极管上，有利于光电二极管吸收光信号，该微透镜阵列801有效提高了衬底表面透射率。

如图5所示，衬底802顶部设置设有SiO₂隔离层8328，在SiO₂隔离层8328上设有多个用于内嵌阴极电极8326和阳极电极8327的孔，阴极电极8326镶嵌入衬底802中的接触面处设有面积大于阴极电极8326截面积的N型掺杂层8324，阳极电极8327镶嵌入衬底802中的接触面处设有面积大于阳极电极8327截面积的P型掺杂层8325。衬底802底部具有N型掺杂层8322，微透镜阵列801设置在N型掺杂层8322底部。

像素单元阵列806由多个独立的对应不同的空间视场角的像素单元构成，每个像素单元均包括用于吸收激光调制光的光电二极管8031；光电二极管8031设置在衬底202上，分布在衬底802与金属布线层804之间的器件有源区803(外延层)。

采样/处理电路

参见图7和图8，采样/处理电路有多个，其与光电二极管8031一一对应，每个光电二极管8031的负极端均连接有一个采样/处理电路8032并集成于一体构成一个像素单元。

本发明的采样/处理电路可采用以下两种结构形式：

第一种形式(参见图9)：

采样/处理电路包括开关S1、S2、电容C3、电流-电压转换电路和带通滤波电路；开关S1的一端与像素单元内的光电二极管的负极端相连，开关S1的另一端与电容C3的一端相连，电容C3的另一端与电流-电压转换电路的输入端相连，电流-电压转换电路的输出端与带通滤波电路的输入端相连，带通滤波电路的输出作为采样/处理电路的输出；开关S2并联在电容C3的两端。

开关S1和S2均为模拟开关，用于控制像素单元内像素的采样；开关S1闭合、S2断开时，被光电二极管吸收的光信号转换成的电流信号通过开关S1给电容C3充电；开关S1断开、S2闭合时，电容C3放电，开关S1、S2的控制信号由调谐的方波信号(该方波信号由处理器10发出，一部分送入调制器1，另一部分送入焦平面阵列探测器8对开关S1、S2进行控制)来控制，S1与S2的控制信号相反。

电容C3用于像素单元内电荷积累和定时放电；

电流-电压转换电路用于将光电二极管吸收的光电流信号转换为电压信号，它由运算放大器Opamp1及阻容器件C1、C2、R1、R2构成；电阻R1和电容C1并联设置，其一端均同时与运算放大器Opamp1的反向输入端以及电容C3相连，另一端均与运算放大器Opamp1的输出端相连；电阻R2和电容C2并联设置，其一端均与运算放大器Opamp1的同向输入端相连，另一端均接地；本实施例中，运算放大器Opamp1采用低噪声高精度运算放大器，R1、R2选用阻值在兆欧量级、高精度金属电阻，，电流信号经过电流-电压转换电路之后，转换为幅度约为mV量级的电压信号；

带通滤波电路用于滤除电路中的谐波噪声，使频率在1MHz-100MHz之间的信号可以通过，它是由运算放大器Opamp2，阻容器件R3、R4、R5、R6、R7及C4、C5构成的二阶有源滤波器；电阻R3的一端与运算放大器Opamp1的输出端相连，电阻R3的另一端通过电容C5接运算放大器Opamp2的同向输入端，电阻R4的一端接地，电阻R4的另一端接电容C5和运算放大器Opamp2同向输入端之间的节点，电阻R5的一端接地，电阻R5的另一端分别接电阻R6的一端和运算放大器Opamp2的反向输入端，电阻R6的另一端通过电阻R7接电阻R3和电容C5之间的节点，电容C4的一端接电容C5和R3之间的节点，电容C4的另一端接地。本实施例中，运算放大器Opamp2采用低噪声高精度运算放大器，带宽至少达到100MHz的两倍，电阻R3、R4、R5、R6选用高精度金属电阻。

第二种形式(参见图10)：

采样/处理电路包括开关S1、S2、高通滤波电路、电流-电压转换电路和低通滤波电路；

开关S1的一端与像素单元内的光电二极管的负极端相连，开关S1的另一端与高通滤波电路的输入端相连，高通滤波电路的输出端与电流-电压转换电路的输入端相连，电流-电压转换电路的输出端与低通滤波电路的输入端相连，低通滤波电路的输出作为采样-处理电路的输出；开关S2并联在高通滤波电路中电容C1的两端。

开关S1和S2均为模拟开关，用于控制像素单元内像素的采样；开关S1闭合、S2断开时，被光电二极管吸收的光信号转换成的电流信号通过开关S1给电容C1充电；开关S1断开、S2闭合时，电容C1放电，开关S1、S2的控制信号由调谐的方波信号来控制，S1与S2的控制信号相反。

电容C1用于像素单元内电荷积累和定时放电；

高通滤波电路用于滤除电路中的谐波噪声，使频率在1MHz-100MHz之间的信号可以通过，它是由运算放大器Opamp1及阻容器件C1、C2、R1、R2、R3、R4构成二阶有源滤波器；电容C1的一端接开关S1，电容C1的另一端接电容C2的一端，电容C2的另一端接运算放大器Opamp1的同向输入端，电容C1的两端并联有开关S2；电阻R1的一端接地，电阻R1的另一端同时接电阻R3的一端和运算放大器Opamp1的反向输入端，电阻R3的另一端同时接电阻R2的一端和运算放大器Opamp1的输出端，电阻R2的另一端接电容C1和C2之间的节点，电阻R4的一端接电容C2和运算放大器Opamp1的同向输入端之间的节点，电阻R4的另一端接地。

电流-电压转换电路用于将电流信号转换为电压信号，它由运算放大器Opamp2及阻容器件C3、C4、R5、R6构成；电阻R5和电容C3并联设置，其一端均与运算放大器Opamp2的反向输入端相连，另一端均与运算放大器Opamp2的输出端相连；电阻R6和电容C4并联设置，其一端均与运算放大器Opamp2的同向输入端相连，另一端均接地；运算放大器Opamp2的反向输入端还与运算放大器Opamp1的输出端相连。

低通滤波电路由运算放大器Opamp3及阻容器件C5、C6、R7、R8、R9、R10构成；电阻R7的一端接电流-电压转换电路中运算放大器Opamp2的输出端，电阻R7的另一端通过电阻R9接运算放大器Opamp3的同向输入端，电阻R8的一端接地，电阻R8的另一端同时接电阻R10的一端和运算放大器Opamp3的反向输入端，电阻R10的另一端同时接运算放大器Opamp3的输出端和电容C5的一端，电容C5的另一端接电阻R7和电阻R9之间的节点，电容C6的一端接电阻R9和运算放大器Opamp3的同向输入端之间的节点，电容C6的另一端接地。

信号处理电路808

信号处理电路808包括与上述采样/处理电路的输出端相连的模数转换模块和与所述模数转换模块的输出端相连的数据输出模块。

模数转换模块包括斜波产生电路和多个比较器，比较器的数量等于像素单元阵列的列数，一个比较器对应一列像素单元；斜波产生电路的波形信号输出端与每个比较器的其中一个输入端均相连，每一列像素单元所对应的采样/处理电路所输出的电压信号均通过数据列线送入该列像素单元所对应的比较器的另一个输入端，所有比较器的输出端均接数据输出模块的输入端；

斜波产生电路用于产生三角波，其输出波形的设定节点电压为Vref，可用现有电路/单元实现；

数据输出模块包括Nbit计数器、列选模块、输出缓冲模块和多个存储器；多个存储器的输入端与模数转换模块中的多个比较器的输出端一一对应相连，Nbit计数器和列选模块分别发送控制信号给所有存储器的控制端，所有存储器的数据输出端均通过数据总线与输出缓冲模块的输入端相连，由输出缓冲模块的输出端输出距离速度数据信号。

需要说明的是，也可在每个像素单元内均设置一个模数转换模块和一个数据输出模块，但这样会使焦平面芯片的尺寸增大。

时序控制电路

时序控制电路用于控制焦平面芯片内的行选模块和读出电路中数据输出模块中的列选模块工作。

如图14所示，焦平面芯片的行选模块通过对行计数器的输出进行译码，可以得到行选信号，使能时间分别与行时钟信号的周期相同；其中Row_clk为行时钟信号，图14中1、2分别表示行选通开关控制信号，Q<1>至Q<n>分别表示1bit计数器的输出数据，NQ<1>至NQ<n>表示Nbit计数器的输出数据。

如图15所示，焦平面芯片的列选模块通过对列计数器的输出进行译码，可以得到列选信号，使能时间分别与列时钟信号的周期相同；其中Col_clk为列时钟信号，图15中1、2分别表示列选通开关控制信号，Q<1>至Q<n>分别表示1bit计数器的输出数据，NQ<1>至NQ<n>表示Nbit计数器的输出数据。

焦平面芯片的工作原理

如图7所示，每个像素单元均具有与行选模块相连的行选通地址线14，该行选通地址线14分别连接焦平面芯片的用于控制每个像素单元的采样/处理电路的数据输出的寻址行使能选通开关S3；

如图8所示，像素单元阵列806中的采样/处理电路积分结束后，模数转换模块中的斜波产生电路开始工作，通过行选模块给出的行选信号，选择将某一行像素单元的采样/处理电路的数据读出；

每一列像素单元内的电压信号和斜波产生电路的输出信号分别送入每一列所对应的比较器的两个输入端，当比较器的输出端翻转后，在该比较器对应的存储器中存下当前Nbit计数器的计数值；

斜波产生电路工作截止后，通过数据输出模块中的列选模块给出的列选信号，控制存储器中的数据依次读取到数据总线上，然后通过数据输出模块中的输出缓冲模块将数据读出到焦平面芯片外。

利用本发明的测速测距系统进行激光测速测距的方法(结合图1)，具体为：

步骤1：利用分束器3将激光器2发出的光源进行为光束一和光束二，光束一经过扩束镜组一4整形扩束后，再通过光路发射组件5投射到待测目标物11上；光束二经扩束镜组二6整形扩束后作为本征信号光进入合束器；

步骤2：光路接收组件9接收待测目标物11反射回来的回波信号光，并将该回波信号光滤波后汇聚到合束器7内；

步骤3：合束器7将其所接收到的本征信号光和回波信号光进行相干混频，得到包含目标距离和速度的差频信号；

步骤4：利用三角波调制激光器发出的光信号，在一个完整的测试周期内，焦平面阵列探测器8的各像素单元分别在所述三角波的上升沿和下降沿各采集一次合束器7生成的差频信号，并对其进行处理和模数转换，得到数字信号；这里一个完整的测试周期包含一个频率上升沿和一个频率下降沿。

步骤5：处理器10接收、处理焦平面阵列探测器8输出的数字信号获得待测目标物的距离和速度信息。

主处理器获取距离和速度的方法如下：

(1)相对接近时的测距、测速：

物体相对移动时，信号波会发生多普勒频移，频移量v为目标物体的相对速度，λ表示发射波长：

测距：

测速：其中v为待测目标物的相对移动速度，f为发射信号的中心频率，c为光速。

(2)相对远离时的测距、测速：

物体相对移动时，信号波会发生多普勒频移，频移量v目标物体的相对速度，λ表示发射波长：

测距：

测速：其中v为待测目标物的相对移动速度，f为发射信号的中心频率，c为光速。

雷达与物体相对靠近； 雷达与物体相对静止；雷达与物体相对远离。

上述三角波调制方式还可选用正弦波调制。

Claims (11)

1.一种基于激光外差探测的测速测距系统，包括激光器、光路发射组件、光路接收组件、处理器；其特征在于：

还包括分束器、合束器和焦平面阵列探测器；

所述分束器的输入端与所述激光器的输出端相连；所述分束器分出的两路光信号中：其中一路光信号送入光路发射组件并投射到待测目标物上，另一路光信号直接送入所述合束器；

所述光路接收组件接收待测目标物返回的回波信号，并将回波信号滤波后汇聚到合束器的输入端；

所述合束器用于将分束器分出的一路光信号和所述光路接收组件输出的回波信号进行相干混频，得到包含目标距离和速度的差频信号；

所述焦平面阵列探测器对所述差频信号进行采样、处理、模数转换后送入处理器；

所述处理器获取待测目标物的速度和距离信息。

2.根据权利要求1所述的基于激光外差探测的测速测距系统，其特征在于：所述焦平面阵列探测器为大面阵的焦平面芯片，包括衬底以及集成在衬底上的像素单元阵列、互连金属、金属布线层、信号处理电路、时序控制电路和用于生成行选信号的行选模块；

像素单元阵列通过互连金属与金属布线层相连，金属布线层通过数据列线与信号处理电路相连；

像素单元阵列由多个独立的、对应不同的空间视场角的像素单元构成，每个像素单元均包括设置在衬底上的光电二极管和用于将光电二极管输出的电流信号转换为电压信号并进行滤波处理的采样/处理电路；

信号处理电路包括模数转换模块和数据输出模块；模数转换模块的输入端与采样/处理电路的输出端相连，模数转换模块的输出端与数据输出模块的输入端相连；数据输出模块包括用于生成列选信号的列选模块；

模数转换模块用于将采样/处理电路输出的电压信号转换为数字信号；时序控制电路用于控制所述行选模块和所述列选模块工作；数据输出模块用于输出通过所述行选模块和列选模块所确定的像素单元内的数字信号。

3.根据权利要求2所述的基于激光外差探测的测速测距系统，其特征在于：所述采样/处理电路包括开关S1、S2、电容C3、电流-电压转换电路和带通滤波电路；

开关S1的一端与光电二极管的负极端相连，开关S1的另一端与电容C3的一端相连，电容C3的另一端与电流-电压转换电路的输入端相连，电流-电压转换电路的输出端与带通滤波电路的输入端相连，带通滤波电路的输出作为采样/处理电路的输出；开关S2并联在电容C3的两端；

电流-电压转换电路由运算放大器Opamp1及阻容器件C1、C2、R1、R2构成；电阻R1和电容C1并联设置，其一端均同时与运算放大器Opamp1的反向输入端以及电容C3相连，另一端均与运算放大器Opamp1的输出端相连；电阻R2和电容C2并联设置，其一端均与运算放大器Opamp1的同向输入端相连，另一端均接地；

带通滤波电路由运算放大器Opamp2，阻容器件R3、R4、R5、R6、R7及C4、C5构成；电阻R3的一端与运算放大器Opamp1的输出端相连，电阻R3的另一端通过电容C5接运算放大器Opamp2的同向输入端，电阻R4的一端接地，电阻R4的另一端接电容C5和运算放大器Opamp2同向输入端之间的节点，电阻R5的一端接地，电阻R5的另一端分别接电阻R6的一端和运算放大器Opamp2的反向输入端，电阻R6的另一端通过电阻R7接电阻R3和电容C5之间的节点，电容C4的一端接电容C5和R3之间的节点，电容C4的另一端接地。

4.根据权利要求3所述的基于激光外差探测的测速测距系统，其特征在于：模数转换模块包括斜波产生电路和多个比较器；斜波产生电路用于产生三角波；比较器的数量等于像素单元阵列的列数，一个比较器对应一列像素单元；斜波产生电路的波形信号输出端与每个比较器的其中一个输入端均相连，每一列像素单元的采样/处理电路所输出的电压信号均通过数据列线送入该列像素单元所对应的比较器的另一个输入端，所有比较器的输出端均接数据输出模块的输入端；

数据输出模块包括Nbit计数器、列选模块、输出缓冲模块和多个存储器；多个存储器的输入端分别与所述多个比较器的输出端一一对应相连，Nbit计数器和列选模块分别发送控制信号给所述多个存储器的控制端，所述多个存储器的数据输出端均通过数据总线与输出缓冲模块的输入端相连，由输出缓冲模块的输出端输出数字信号。

5.根据权利要求2所述的基于激光外差探测的测速测距系统，其特征在于：所述采样/处理电路包括开关S1、S2、高通滤波电路、电流-电压转换电路和低通滤波电路；

开关S1的一端与光电二极管的负极端相连，开关S1的另一端与高通滤波电路的输入端相连，高通滤波电路的输出端与电流-电压转换电路的输入端相连，电流-电压转换电路的输出端与低通滤波电路的输入端相连，低通滤波电路的输出作为采样/处理电路的输出；开关S2并联在高通滤波电路中电容C1的两端；

高通滤波电路由运算放大器Opamp1及阻容器件C1、C2、R1、R2、R3、R4构成；电容C1的一端接开关S1，电容C1的另一端接电容C2的一端，电容C2的另一端接运算放大器Opamp1的同向输入端，电容C1的两端并联有开关S2；电阻R1的一端接地，电阻R1的另一端同时接电阻R3的一端和运算放大器Opamp1的反向输入端，电阻R3的另一端同时接电阻R2的一端和运算放大器Opamp1的输出端，电阻R2的另一端接电容C1和C2之间的节点，电阻R4的一端接电容C2和运算放大器Opamp1的同向输入端之间的节点，电阻R4的另一端接地；

电流-电压转换电路由运算放大器Opamp2及阻容器件C3、C4、R5、R6构成；电阻R5和电容C3并联设置，其一端均与运算放大器Opamp2的反向输入端相连，另一端均与运算放大器Opamp2的输出端相连；电阻R6和电容C4并联设置，其一端均与运算放大器Opamp2的同向输入端相连，另一端均接地；运算放大器Opamp2的反向输入端还与运算放大器Opamp1的输出端相连；

低通滤波电路由运算放大器Opamp3及阻容器件C5、C6、R7、R8、R9、R10构成；电阻R7的一端接电流-电压转换电路中运算放大器Opamp2的输出端，电阻R7的另一端通过电阻R9接运算放大器Opamp3的同向输入端，电阻R8的一端接地，电阻R8的另一端同时接电阻R10的一端和运算放大器Opamp3的反向输入端，电阻R10的另一端同时接运算放大器Opamp3的输出端和电容C5的一端，电容C5的另一端接电阻R7和电阻R9之间的节点，电容C6的一端接电阻R9和运算放大器Opamp3的同向输入端之间的节点，电容C6的另一端接地。

6.根据权利要求5所述的基于激光外差探测的测速测距系统，其特征在于：模数转换模块包括斜波产生电路和多个比较器；斜波产生电路用于产生三角波；比较器的数量等于像素单元阵列的列数，一个比较器对应一列像素单元；斜波产生电路的波形信号输出端与每个比较器的其中一个输入端均相连，每一列像素单元的采样/处理电路所输出的电压信号均通过数据列线送入该列像素单元所对应的比较器的另一个输入端，所有比较器的输出端均接数据输出模块的输入端；

数据输出模块还包括Nbit计数器、输出缓冲模块和多个存储器；多个存储器的输入端分别与所述多个比较器的输出端一一对应相连，Nbit计数器和所述列选模块分别发送控制信号给所述多个存储器的控制端，所述多个存储器的数据输出端均通过数据总线与输出缓冲模块的输入端相连，由输出缓冲模块的输出端输出数字信号。

7.根据权利要求2至6任一所述的基于激光外差探测的测速测距系统，其特征在于：衬底的底部设置有由多个菲涅尔透镜构成的微透镜阵列；每个菲涅尔透镜对应一个像素单元，用于透射回波信号光并使回波信号光汇聚到对应像素单元的光电二极管上。

8.根据权利要求1至6任一所述的基于激光外差探测的测速测距系统，其特征在于：还包括扩束镜组一和扩束镜组二；扩束镜组一设置在分束器和光路发射组件之间；扩束镜组二设置在分束器和合束器之间。

9.利用权利要求1至8任一所述的基于测速测距系统进行测速测距的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将激光器发出的光信号分束：其中一束光投射到待测目标物上，另一束光作为本征信号光；

2)接收待测目标物反射的回波信号光，并进行滤波、汇聚；

3)将本征信号光和回波信号光进行相干混频，得到包含目标距离和速度的差频信号；

4)利用三角波调制激光器发出的光信号，在一个完整的测试周期内，焦平面阵列探测器的各像素单元分别在所述三角波的上升沿和下降沿各采集一次差频信号，将其处理后转换为数字信号；所述一个完整的测试周期包含一个频率上升沿和一个频率下降沿；

5)利用所述数字信号计算待测目标物的距离和速度。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤5)计算被测物的距离和速度的方法如下：

当时，

距离

速度

当时，

距离

速度

其中：

v为待测目标物的相对移动速度，

f为发射信号的中心频率，

c为光速；

为上升沿差频；

为下降沿差频。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：还包括对分束后的光信号分别进行整形扩束的步骤。