CN107748359A - 一种环境光噪声抑制电路及激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学测距技术领域，尤其涉及一种环境光噪声抑制电路及激光雷达。一种环境光噪声抑制电路，包括：形成闭合回路的噪声检测电路、滤波电路、高压模块和光电传感器，所述光电传感器分别连接噪声检测电路和高压模块，所述滤波电路连接在噪声检测电路和高压模块之间，根据所述噪声检测电路对于环境光噪声电信号与设定阈值电平的对比结果，滤波电路调整所述光电传感器的输入电压，以对应调整光电传感器的灵敏度。还提供了一种激光雷达，具有所述的环境光噪声抑制电路。解决了现有技术的环境光抑制电路仅采用滤波电路消除环境光噪声，对激光雷达的接收信号的响应宽度进行限制，引起的激光雷达距离数据有误的问题。

Description

一种环境光噪声抑制电路及激光雷达

技术领域

本发明涉及光学测距技术领域，尤其涉及一种环境光噪声抑制电路及激光雷达。

背景技术

光学扫描测距装置是一种使用准直光束，通过飞行时间（Time of Flight，简称为TOF）、三角测量法等方法进行非接触式扫描测距的设备。目前，通常的光学扫描测距装置包括：光发射模块、光学镜头、光接收模块和光接收镜头。光发射模块发出光束，光接收镜头位于光发射模块的光路上，经过准直的光束发射到被测物体表面后，被反射到光接收模块上，所述光接收模块通过测量发射到接收之间的时间、相位差、已知光速，即可求出被测物体到装置的距离。这类装置将用于测距的光发射模块、光学透镜、光接收模块、光接收镜头等部件安装在一可连续旋转的平台上实现准直光束的扫描，通过电机旋转可以得到一周360度的环境距离信号，旋转部件和固定部件之间通过导电滑环供电并传输数据；或者也可以固定安装在运动的上位机上，随上位机的前进、后退或转向探测其对应测距区域的障碍物，上述两种模式目前广泛应用于机器人环境扫描、规划路径、避障导航、安防检测等。

目前，公知的激光雷达大多数没有环境光噪声抑制电路，在强环境光会产生错误的距离信息，抗环境光能力弱，个别具有环境光抑制功能也只是在电路中加入滤波电路，只能滤除部分噪声，而且还会影响激光雷达接收信号的响应带宽，导致信号失真，影响激光雷达的探测距离和精度。

发明内容

本发明的目的在于提出一种环境光噪声抑制电路，通过噪声电路、滤波电路的设置，解决了环境光噪声引起的激光雷达距离数据有误的问题，提高了激光雷达抗环境光的能力，而且不会对激光雷达的接收信号质量产生影响。

本发明的目的还在于提出一种激光雷达，所述激光雷达具有所述的环境光噪声抑制电路；所述环境光噪声抑制电路的设置，有效抑制环境光在激光雷达接收通道产生的噪声，提高了激光雷达抗环境光的能力，提高测距能力，改善信号质量。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种环境光噪声抑制电路，包括：形成闭合回路的噪声检测电路、滤波电路、高压模块和光电传感器，所述光电传感器分别连接噪声检测电路和高压模块，所述滤波电路连接在噪声检测电路和高压模块之间，根据所述噪声检测电路对于环境光噪声电信号与设定阈值电平的对比结果，滤波电路调整所述光电传感器的输入电压，以对应调整光电传感器的灵敏度。

作为本技术方案的优选方案之一，所述噪声检测电路根据输入的光电传感器的噪声电信号和设定阈值电平的对比输出高电平或低电平，所述滤波电路在设定电平范围内反向调整噪声检测电路输入的高电平或低电平，所述光电传感器以高压模块输出的线性放大后的高压为高压源，所述高压源的数值大小与光电传感器的灵敏度成正比。

作为本技术方案的优选方案之一，所述噪声检测电路包括与光电传感器相连接的比较器，以及向比较器输入设定阈值电平的分压电路，所述比较器通过对于输入的光电传感器的噪声电信号和设定阈值电平进行比较，以对应输出高电平或低电平；

所述比较器的输出端连接滤波电路。

作为本技术方案的优选方案之一，所述噪声检测电路包括与光电传感器相连接的单稳态电路，以及串联在单稳态电路输入端的电容和分压电路，所述噪声电信号和设定阈值电平耦合后输入单稳态电路，所述单稳态电路对应耦合后的电信号超出单稳态电路阈值电平输出设定脉宽高电平，对应耦合后的电信号低于单稳态电路阈值电平输出低电平；；

所述单稳态电路的输出端连接滤波电路。

作为本技术方案的优选方案之一，所述分压电路包括与第一电源连接的分压电阻R1和接地的分压电阻R2，所述分压电阻R1和分压电阻R2串联后接入比较器或单稳态电路的输入端。

作为本技术方案的优选方案之一，所述分压电阻R1和/或分压电阻R2为可调电阻。

作为本技术方案的优选方案之一，所述滤波电路包括与比较器或单稳态电路串联的晶体三极管以及顺次与晶体三极管相串联的滤波电阻R4和滤波电阻R3，所述高压模块的输入点串联在滤波电阻R4和滤波电阻R3之间的节点A上，所述节点A和高压模块的输入端之间还设置有第一电容C，所述晶体三极管接地，所述滤波电阻R3连接晶体三极管，所述第一电容C接地。

作为本技术方案的优选方案之一，所述光电传感器和噪声检测电路之间还连接有用于放大电信号的放大器。

作为本技术方案的优选方案之一，所述噪声检测电路和滤波电路之间还串联有限流电阻R5。

作为本技术方案的优选方案之一，所述滤波电阻R4的阻值小于滤波电阻R3的阻值，且0.1ms≤R3*C≤100ms，1KΩ≤R3≤10KΩ，10nF≤C≤10µF。

作为本技术方案的优选方案之一，0.1ms≤R3*C≤1ms，1KΩ≤R3≤5KΩ。

作为本技术方案的优选方案之一，所述光电传感器是APD光电传感器、CCD光电传感器或CMOS光电传感器。

本发明还提供了一种激光雷达，具有所述的环境光噪声抑制电路；所述光电传感器或与光电传感器相连接的放大器同时输送电信号至环境光噪声抑制电路和测试电路模块。

有益效果：通过噪声检测电路、滤波电路、高压模块和光电传感器的设置，对环境光噪声的噪声值分为大小不同区间，不同区间的环境光噪声值对应光电传感器的不同增益，解决了现有技术的环境光抑制电路仅采用滤波电路消除环境光噪声，即使在环境光噪声较低的区域，依然通过滤波电路对激光雷达的接收信号的响应宽度进行限制，引起的激光雷达距离数据有误的问题，提高了激光雷达抗环境光噪声的能力，而且不会对激光雷达的接收信号质量产生影响。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的环境光噪声抑制电路的结构示意图。

图2是本发明实施例1提供的激光雷达的光接收电路模块的结构示意图。

图中：

1、比较器；2、晶体三极管；3、上位机；4、高压模块；5、光电传感器；6、放大器；7、恒比定时装置；8、时间间隔测量芯片；9、微处理器。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

本实施例提供了一种环境光噪声抑制电路，如图1所示，包括：形成闭合回路的噪声检测电路、滤波电路、高压模块4和光电传感器5，所述光电传感器5分别连接噪声检测电路和高压模块4，所述滤波电路连接在噪声检测电路和高压模块4之间，根据所述噪声检测电路对于环境光噪声电信号与设定阈值电平的对比结果，滤波电路调整所述光电传感器5的输入电压，以对应调整光电传感器5的灵敏度。光电传感器5随输入电压的高低的变化其灵敏度呈正向的变化。

所述光电传感器5和噪声检测电路之间还连接有用于放大电信号的放大器6。具体实施时，所述放大器6可以作为光电传感器5的一部分，对光电传感器5的芯片输出的电信号进行放大，也可以作为光电传感器5之外的一部分，对光电传感器5输出的电信号进行放大。所述噪声检测电路和滤波电路之间还串联有限流电阻R5。优选的，所述限流电阻R5为可调电阻。

优选的，所述光电传感器5是APD光电传感器、CCD光电传感器或CMOS光电传感器任意一种，所述APD光电传感器和/或CCD光电传感器还包括由InGaAs制成的光电传感器。其中，APD(Avalanche Photo Diode)为雪崩光电二极管，光探测领域中使用的光学探测器元件。CCD的中文全称：电荷耦合元件。英文全称： Charge-coupled Device。可以称为CCD图像传感器,也叫图像控制器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为电信号。CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor），互补金属氧化物半导体，电压控制的一种放大器件，是组成CMOS数字集成电路的基本单元。本文中的CMOS是指应用于制作数码影像器材和激光雷达的能够把光学影像转化为电信号感光元件。

理想状态下，当光电传感器5的灵敏度较高的时候，其测距更远更为精确，当环境光噪声过大时，也因高灵敏度致使无法提取有效电信号。本实施例通过噪声检测电路、滤波电路、高压模块4和光电传感器5的设置，将环境光噪声的噪声值分为大、小不同区间， 通过调整不同区间的环境光噪声值对应光电传感器5的不同灵敏度，解决了现有技术的环境光抑制电路仅采用滤波电路消除环境光噪声，即使在环境光噪声较低的区域，依然通过滤波电路对激光雷达的接收信号的响应宽度进行限制，引起的激光雷达距离数据有误的问题，提高了激光雷达抗环境光噪声的能力，而且不会对激光雷达的接收信号质量产生影响。所述设定阈值电平可以是数值，也可以是数值区间，且设定阈值可以通过外部进行调整。

为了在环境光噪声位于较大区间时，减小所述光电传感器5的增益，在环境光噪声位于较小区间时，增大光电传感器5的增益，所述噪声检测电路根据输入的光电传感器5的噪声电信号和设定阈值电平的对比输出高电平或低电平，当所述噪声检测电路根据输入的光电传感器5的噪声电信号和设定阈值电平的对比输出高电平时，所述滤波电路在设定电平范围内反向调整噪声检测电路输入的高电平电信号，向高压模块4输出经过调整后的第一调整电平，所述高压模块4将调整后的第一调整电平经线性放大后作为高压源输入所述光电传感器5。随着高压源电平的降低，所述光电传感器5的灵敏度降低，所述光电传感器5输出的环境光信号噪声随之降低，提高了有效信号的接收率，起到了对环境光抑制的作用。

当所述噪声检测电路根据输入的光电传感器5的噪声电信号和设定阈值电平的对比输出低电平时，所述滤波电路在设定电平范围内反向调整噪声检测电路输入的低电平电信号，向高压模块4输出经过调整后的第二调整电平，所述高压模块4将调整后的第二调整电平经线性放大后作为高压源输入所述光电传感器5内，所述光电传感器5随着高压源电平的升高直至稳定，其灵敏度增加直至稳定。所述光电传感器5的灵敏度提升，激光雷达的测距能力随之提高。所述光电传感器5的灵敏度也被称为光电传感器5的增益。

所述高压源的数值大小与光电传感器5的增益成正比。所述滤波电路根据噪声检测电路的对比输出结果反向调整其输出电压，保持了环境噪声小时的高灵敏度和环境噪声大时的测试准确性。环境噪声小和环境噪声大的判断通过噪声检测电路的设定阈值电平对比确定，当光电传感器5的量程有变化时，设定阈值会随之变化，则环境噪声小和环境噪声大的判断标准也随之改变。

为了进一步提高噪声检测电路的稳定性和准确性，所述噪声检测电路包括与光电传感器5相连接的比较器1，以及向比较器1输入设定阈值电平的分压电路，所述比较器1通过对于输入的光电传感器5的电信号噪音和设定阈值电平进行比较，以对应输出高电平或低电平。所述比较器1和分压电路分别独立连接有第二电源和第一电源。所述第二电源的供电电压为高电平，当晶体三级管2未导通时，所述比较器1输出的低电平为0。具体的，所述比较器1包括两个输入端，其中一个输入端连接光电传感器5，另一个输入端连接分压电路，所述比较器1的输出端连接滤波电路。分别具有独立电源的比较器1和分压电路的结构设置，保持了噪声检测电路的稳定性和准确性，同时将光电传感器5的增益和灵敏度控制在设定的范围内，避免环境光噪声引起的光电传感器5的灵敏度的剧烈波动，提高了测距精度。

为了得到设定阈值电平，所述分压电路包括与第一电源连接的分压电阻R1和接地的分压电阻R2，所述分压电阻R1和分压电阻R2串联后接入比较器1的输入端。所述分压电阻R1连接分压电路电源。优选的，为了进一步获得更为准确的设定阈值电阻和根据适用范围调整设定阈值电阻的大小，所述分压电阻R1和/或分压电阻R2为可调电阻。

为了对噪声检测电路输出的高电平或低电平进行反向调整，并使得所述滤波电路的输出电平在设定范围内，所述滤波电路包括与比较器1串联的晶体三级管2以及顺次与晶体三级管2相串联的滤波电阻R4和滤波电阻R3，所述高压模块4的输入点串联在滤波电阻R4和滤波电阻R3之间的节点A上，所述节点A和高压模块4的输入端之间还设置有第一电容C，所述晶体三级管2接地，所述滤波电阻R3连接晶体三级管2，所述第一电容C接地。具体的，所述滤波电阻R3连接晶体三级管2的c端，所述比较器1的输出端连接晶体三级管2的b端。

所述比较器1根据输入环境光噪声电信号和设定的阈值电平比较后输出高电平或低电平，当输出高电平后会触发晶体三级管2导通，晶体三级管2导通后所述第一电容C储存的电荷通过滤波电阻R4和晶体三级管2流向地平面，使得第一电容C的电平下降，由于滤波电阻R4的分压作用，第一电容C的电平最低值不会为零，因此通过控制滤波电阻R4的阻值、滤波电阻R3的阻值和第一电容C的电容量，保持滤波电路在输入高电平或低电平时，其输出电平均在设定的阈值范围内。

当比较器11输出端的低电平后会使晶体三级管2关闭，与滤波电阻R3相连接的滤波电源会向第一电容C充电，第一电容C的电平会升高，第一电容C的电平所能升高至最大的值为滤波电源的最大电压值V+。第一电容C和滤波电阻R3、R4及晶体三级管2的结构设置，使得晶体三级管2导通引起第一电容C放电后，第一电容C的电平缓慢下降，避免了高压大幅波动引起的光电传感器5增益的剧烈波动，从而减少了环境光引起的噪声的大幅波动，提高了测距精度。在环境光噪声在设定的阈值范围内，保持了较高的增益和灵敏度，保持了较远的测距范围和测距精度。

所述高压模块4是线性直流电压升压模块，可以根据第一电容C输出第二调整电平进行线性放大，线性放大后的第二调整电平作为光电传感器5的高压源。

为了不损坏光电传感器5，所述高压模块4输出的高压源不能超过光电传感器5所允许的最大电压值，使得所述高压模块4的输入电平即第一电容C的最大电平V+限定在合理范围内。

具体实施时，为了达到第一电容C缓慢下降，避免光电传感器5的高压源大幅度波动引起的光电传感器5的增益大幅波动的问题，0.1ms≤R3*C≤100ms，且所述滤波电阻R4的阻值小于滤波电阻R3的阻值。优选的，1KΩ≤R3≤10KΩ，10nF≤C≤10µF。

为了获得更为稳定的光电传感器5的增益率和更为准确的测量精度， 0.1ms≤R3*C≤1ms，1KΩ≤R3≤5KΩ，优选的，第一电容C的电容量为2µF。

本发明还提供了一种激光雷达，具有所述的环境光噪声抑制电路；所述光电传感器5同时输送电信号至环境光噪声抑制电路和测试电路模块。所述测量电路模块包括顺次连接的恒比定时装置7、时间间隔测量芯片8和微处理器9，所述微处理器9通过串口将测量数据传输给上位机3。

所述激光雷达可以是脉冲激光雷达、TOF时间飞行法激光雷达、三角测量法激光雷达等。优选的，如图2所示，所述激光雷达为脉冲激光雷达，所述测量电路模块包括顺次连接的恒比定时装置7、时间间隔测量芯片8和微处理器9，所述微处理器9通过串口将测量数据传输给上位机3。

所述闭合的环境光抑制电路的设置，使得光电传感器在环境光噪声过大时，通过环境光抑制电路的调节作用相应降低其增益，以在降低量程的基础上获得清晰准确的电信号，保证激光雷达设备的正常工作，当光电传感器在环境光噪声从较大变为较小时，通过环境光抑制电路的调节相应增大其增益，提高量程和测量精度。

具有良好的抗环境光能力：本发明可以有效抑制环境光在激光雷达接收通道产生的噪声，极大的减少了强环境光情况下产生的噪声超过信号检测阈值转变为回波信号，从而减少了激光雷达错误距离数据的产生，提高了激光雷达抗环境光的能力。

提高测距能力：没有环境光抑制功能的激光雷达，为了减少环境光引起的错误距离的产生，一般采用减小接收电路的信号增益的方式或提高信号检测阈值的方式，降低了激光雷达的测距能力，本发明的实施，可以最大程度的提高信号增益或降低检测阈值，提高了激光雷达的测距能力。

改善信号质量：本发明的技术方案是根据环境光噪声的大小控制光电传感器的高压的大小，不会影响信号电路的带宽，可以在不影响激光雷达接收信号质量的情况下，对激光雷达的环境光噪声进行有效抑制。

实施例2

与实施例1不同的是，所述噪声检测电路包括与光电传感器相连接的单稳态电路，以及串联在单稳态电路输入端的第二电容和分压电路，所述第二电容用于将噪声电信号和由分压电路输入的设定阈值电压耦合在一起，所述噪声电信号和设定阈值电平耦合后输入单稳态电路，所述单稳态电路对应耦合后的电信号超出单稳态电路阈值电平输出设定脉宽高电平，对应耦合后的电信号低于单稳态电路阈值电平输出低电平。

当噪声电信号持续超出设定阈值电平时，当所述单稳态电路持续输出设定脉宽的高电平，也就是晶体三极管持续保持开通状态。当噪声电信号持续低于设定阈值电平时，所述低电平的输出是连续的，也就是晶体三极管持续保持关闭状态。

所述单稳态电路的输出端连接滤波电路。本实施例通过第二电容、分压电路和单稳态电路的设置，使得噪声电信号和设定阈值电平比较结果的输出更为平稳，调整更为连续。避免环境光噪声引起的光电传感器的灵敏度的剧烈波动，提高了测距精度。

综上所述，通过噪声检测电路、滤波电路、高压模块和光电传感器的设置，对环境光噪声的噪声值分为大小不同区间，不同区间的环境光噪声值对应光电传感器的不同增益，解决了现有技术的环境光抑制电路仅采用滤波电路消除环境光噪声，即使在环境光噪声较低的区域，依然通过滤波电路对激光雷达的接收信号的响应宽度进行限制，引起的激光雷达距离数据有误的问题，提高了激光雷达抗环境光噪声的能力，而且不会对激光雷达的接收信号质量产生影响。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种环境光噪声抑制电路，其特征在于，包括：形成闭合回路的噪声检测电路、滤波电路、高压模块和光电传感器，所述光电传感器分别连接噪声检测电路和高压模块，所述滤波电路连接在噪声检测电路和高压模块之间，根据所述噪声检测电路对于环境光噪声电信号与设定阈值电平的对比结果，所述滤波电路调整所述光电传感器的输入电压，以对应调整光电传感器的灵敏度。

2.根据权利要求1所述的环境光噪声抑制电路，其特征在于，所述噪声检测电路根据输入的光电传感器的噪声电信号和设定阈值电平的对比输出高电平或低电平，所述滤波电路在设定电平范围内反向调整噪声检测电路输入的高电平或低电平，所述光电传感器以高压模块输出的线性放大后的高压为高压源，所述高压源的数值大小与光电传感器的灵敏度成正比。

3.根据权利要求2所述的环境光噪声抑制电路，其特征在于，所述噪声检测电路包括与光电传感器相连接的比较器，以及向比较器输入设定阈值电平的分压电路，所述比较器通过对于输入的光电传感器的噪声电信号和设定阈值电平进行比较，以对应输出高电平或低电平；

所述比较器的输出端连接滤波电路。

4.根据权利要求2所述的环境光噪声抑制电路，其特征在于，所述噪声检测电路包括与光电传感器相连接的单稳态电路，以及串联在单稳态电路输入端的电容和分压电路，所述噪声电信号和设定阈值电平耦合后输入单稳态电路，所述单稳态电路对应耦合后的电信号超出单稳态电路阈值电平输出设定脉宽高电平，对应耦合后的电信号低于单稳态电路阈值电平输出低电平；

所述单稳态电路的输出端连接滤波电路。

5.根据权利要求3或4所述的环境光噪声抑制电路，其特征在于，所述分压电路包括与第一电源连接的分压电阻R1和接地的分压电阻R2，所述分压电阻R1和分压电阻R2串联后接入比较器或单稳态电路的输入端；优选地，所述分压电阻R1和/或分压电阻R2为可调电阻。

6.根据权利要求3或4所述的环境光噪声抑制电路，其特征在于，所述滤波电路包括与比较器或单稳态电路相串联的晶体三极管以及顺次与晶体三极管相串联的滤波电阻R4和滤波电阻R3，所述高压模块的输入点串联在滤波电阻R4和滤波电阻R3之间的节点A上，所述节点A和高压模块的输入端之间还设置有第一电容C，所述晶体三极管接地，所述滤波电阻R3连接晶体三极管，所述第一电容C接地。

7.根据权利要求1-4任一项所述的环境光噪声抑制电路，其特征在于，所述光电传感器和噪声检测电路之间还连接有用于放大电信号的放大器；可选择地，所述噪声检测电路和滤波电路之间还串联有限流电阻R5。

8.根据权利要求1-4任一项所述的环境光噪声抑制电路，其特征在于，所述滤波电阻R4的阻值小于滤波电阻R3的阻值，且0.1ms≤R3*C≤100ms，1KΩ≤R3≤10KΩ，10nF≤C≤10µF；优选地，0.1ms≤R3*C≤1ms，1000Ω≤R3≤5000Ω。

9.根据权利要求1-4任一项所述的环境光噪声抑制电路，其特征在于，所述光电传感器是APD光电传感器、CCD光电传感器或CMOS光电传感器。

10.一种激光雷达，其特征在于，具有如权利要求1-9任一项所述的环境光噪声抑制电路；所述光电传感器或与光电传感器相连接的放大器同时输送电信号至环境光噪声抑制电路和测试电路模块。