CN108896979B - 一种超宽单射测量范围的脉冲激光雷达接收电路及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超宽单射测量范围的脉冲激光雷达接收电路，包括双偏置电阻差分耦合电路、第一处理链路、第二处理链路和数据选择器；所述第一处理链路包括带电流拉灌功能的跨阻放大电路和第一时刻鉴别电路，所述双偏置电阻差分耦合电路的第一输出端依次经过带电流拉灌功能的跨阻放大电路和第一时刻鉴别电路与数据选择器的第一信号输入端连接；所述第二处理链路包括采样电阻和第二时刻鉴别电路，所述双偏置电阻差分耦合电路的第二输出端依次经过采样电阻和第二时刻鉴别电路与数据选择器的第二信号输入端连接。本发明的接收电路具有超宽的动态范围，且在达到很高测量精度的前提下，具有成本低的优点。本发明的接收电路可广泛应用于距离测量领域中。

Description

一种超宽单射测量范围的脉冲激光雷达接收电路及系统

技术领域

本发明涉及距离测量技术领域，尤其涉及一种超宽单射测量范围的脉冲激光雷达接收电路及系统。

背景技术

目前常用的脉冲式激光雷达系统，其通常包括控制器、发射驱动电路、接收电路、高精度时间测量模块这四个部分(如图1所示)，并采用TOF(Time of Flight，飞行时间)原则进行距离测量，具体工作原理为：当开始测距时，控制器发出“START”信号给发射驱动电路驱动激光二极管1发射窄脉冲激光，与此同时，“START”信号也触发高精度时间测量模块开始计时；当脉冲激光经过目标物漫反射之后，回波信号经过光电二极管2产生电流脉冲信号，该电流脉冲信号再通过接收电路处理之后产生一个“STOP”信号，高精度时间测量模块收到“STOP”信号后便立即停止计时，由此记录下了激光在往返路程上所经历的飞行时间；最后，高精度时间测量模块将测量的到的时间数据传回控制器并由控制器根据时间数据来计算出测量的距离。由此可见，脉冲式激光雷达实现精确测量的关键在于如何准确地给出STOP信号。由于激光雷达的测量距离可以从几十厘米变化到几百米，并且目标物的反射率也大小不一，因此激光回波的强度变化范围通常会很大，导致光电二极管上转化的电流信号幅度可以在几个微安到上百毫安的范围内变化。因此，激光雷达接收电路一般需要有较大的动态范围来处理回波信号，并且还需要设计高精度的时刻鉴别电路来克服回波信号的行走误差。

目前，最常用的脉冲式激光雷达接收电路通常采用前沿时刻鉴别法或恒比鉴别法。采用前沿时刻鉴别法的接收电路如图2所示，采用恒比鉴别法的接收电路则如图3所示。然而，这两种接收电路都有明显的缺点：

1)、前沿时刻鉴别法无法消除脉冲回波信号的行走误差，因此测量误差往往很大；

2)、恒比鉴别法虽然能够消除行走误差，但是需要配合精确的延时器，较为简单的延时器会导致误差增加，而精确的延时器又会导致成本上升；

3)、两种接收电路都需要采用可变增益放大器来提供动态范围，而采用可变增益放大器实现的接收电路不仅动态范围十分有限，而且需要先重复发送多个脉冲信号来让可变增益放大器调节增益，待增益调节完毕后接收到的脉冲信号才是有用的，因此这两种方案都会浪费很多脉冲信号，无法达到单射测量的效果，即无法达到任何一个脉冲信号都是有用的。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种超宽单射测量范围的脉冲激光雷达接收电路及系统，测量精确度高，且可达到单射测量的效果。

鉴于此，本发明所采用的第一技术方案是：一种超宽单射测量范围的脉冲激光雷达接收电路，包括双偏置电阻差分耦合电路、第一处理链路、第二处理链路和数据选择器；

所述双偏置电阻差分耦合电路用于将由光电二极管转化得到的电流脉冲信号以差分的方式分别输入到第一处理链路和第二处理链路；

所述第一处理链路包括带电流拉灌功能的跨阻放大电路和第一时刻鉴别电路，所述双偏置电阻差分耦合电路的第一输出端依次经过带电流拉灌功能的跨阻放大电路和第一时刻鉴别电路与数据选择器的第一信号输入端连接；

所述第二处理链路包括采样电阻和第二时刻鉴别电路，所述双偏置电阻差分耦合电路的第二输出端依次经过采样电阻和第二时刻鉴别电路与数据选择器的第二信号输入端连接。

进一步，所述双偏置电阻差分耦合电路包括第一偏置电阻、第二偏置电阻、第一耦合电容和第二耦合电容；

所述第一偏置电阻的一端接地，所述第一偏置电阻的另一端与第一耦合电容的一端连接，所述第一耦合电容的另一端与带电流拉灌功能的跨阻放大电路的输入端连接，所述第一偏置电阻的另一端作为光电二极管的正极连接端；

所述第二偏置电阻的一端接偏置电压，所述第二偏置电阻的另一端与第二耦合电容的一端连接，所述第二耦合电容的另一端与采样电阻的一端连接，所述第二偏置电阻的另一端作为光电二极管的负极连接端。

进一步，所述带电流拉灌功能的跨阻放大电路包括第一场效应晶体管、第二场效应晶体管、反馈电阻以及跨阻放大器；

所述第一耦合电容的另一端与跨阻放大器的输入端连接，所述反馈电阻连接在跨阻放大器的输入端和跨阻放大器的输出端之间；

所述第一场效应晶体管的源极和第二场效应晶体管的源极均与跨阻放大器的输入端连接，所述第一场效应晶体管的栅极和第二场效应晶体管的栅极均与跨阻放大器的输出端连接，所述第一场效应晶体管的漏极接电源电压，所述第二场效应晶体管的漏极接地。

进一步，所述第一时刻鉴别电路包括第一RC微分器、第一电压放大器以及第一过零比较器，所述带电流拉灌功能的跨阻放大电路的输出端依次经过第一RC微分器、第一电压放大器以及第一过零比较器与数据选择器的第一信号输入端连接。

进一步，所述第一处理链路还包括第一阈值比较器，所述第一电压放大器的输出端与第一阈值比较器的第一信号输入端连接，所述第一阈值比较器的第二信号输入端接第一参考电压，所述第一阈值比较器的输出端与第一过零比较器的使能端连接。

进一步，所述第二时刻鉴别电路包括第二RC微分器、第二电压放大器以及第二过零比较器，所述采样电阻的一端与第二RC微分器的输入端连接，所述第二RC微分器的输出端依次经过第二电压放大器以及第二过零比较器与数据选择器的第二信号输入端连接。

进一步，所述第二处理链路还包括第二阈值比较器，所述第二电压放大器的输出端与第二阈值比较器的第一信号输入端连接，所述第二阈值比较器的第二信号输入端接第二参考电压，所述第二阈值比较器的输出端与第二过零比较器的使能端连接。

进一步，所述第二阈值比较器的输出端还与数据选择器的控制端连接。

鉴于此，本发明所采用的第二技术方案是：一种脉冲激光雷达系统，该系统中采用的接收电路为第一技术方案所述的接收电路。

本发明的有益效果是：本发明的接收电路包括双偏置电阻差分耦合电路、第一处理链路、第二处理链路和数据选择器；其中，所述双偏置电阻差分耦合电路用于将由光电二极管转化得到的电流脉冲信号以差分的方式分别输入到第一处理链路和第二处理链路；所述第一处理链路包括带电流拉灌功能的跨阻放大电路和第一时刻鉴别电路，所述双偏置电阻差分耦合电路的第一输出端依次经过带电流拉灌功能的跨阻放大电路和第一时刻鉴别电路与数据选择器的第一信号输入端连接；所述第二处理链路包括采样电阻和第二时刻鉴别电路，所述双偏置电阻差分耦合电路的第二输出端依次经过采样电阻和第二时刻鉴别电路与数据选择器的第二信号输入端连接。由此可见，本发明的接收电路采用了双偏置电阻差分耦合输入的形式将光电二极管产生的电流信号输入到处理链路中，当脉冲电流信号较弱的时候，带电流拉灌功能的跨阻放大电路所转化输出的电压信号为有用信号，而当脉冲电流信号较强时，采样电阻Rs上所转化输出的电压信号为有用信号；同时由于跨阻放大电路为带电流拉灌功能的跨阻放大电路，因此无论是小电流脉冲信号还是大电流脉冲信号，在转化为电压信号后都能保持良好的线性度，这样则不需要任何增益控制电路即可获得超宽的动态范围，同时对于任何一个脉冲信号，其都是有用的信号，大大提高了数据利用率。此外，本发明的接收电路利用了基于RC微分器的高通阻容时刻鉴别电路，这样本发明所实现的接收电路不仅在很宽的动态范围内都能达到很高的测量精度，而且相较于相同精度的传统激光雷达接收电路，本发明的接收电路具有成本更低的优点。

附图说明

图1为脉冲式激光雷达系统的结构示意图；

图2为目前常见的采用前沿时刻鉴别法的脉冲式激光雷达接收电路的结构示意图；

图3为目前常见的采用恒比鉴别法的脉冲式激光雷达接收电路的结构示意图；

图4为本发明一种超宽单射测量范围的脉冲激光雷达接收电路的一具体实施例结构示意图。

1、激光二极管；2、光电二极管。

具体实施方式

下面结合附图和优选具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图4所示，一种超宽单射测量范围的脉冲激光雷达接收电路，包括双偏置电阻差分耦合电路、第一处理链路、第二处理链路和数据选择器。

对于所述双偏置电阻差分耦合电路，其用于将由光电二极管PD转化得到的电流脉冲信号以差分的方式分别输入到第一处理链路和第二处理链路；

对于所述第一处理链路，其包括带电流拉灌功能的跨阻放大电路和第一时刻鉴别电路，所述双偏置电阻差分耦合电路的第一输出端依次经过带电流拉灌功能的跨阻放大电路和第一时刻鉴别电路与数据选择器的第一信号输入端连接；

对于所述第二处理链路，其包括采样电阻Rs和第二时刻鉴别电路，所述双偏置电阻差分耦合电路的第二输出端依次经过采样电阻Rs和第二时刻鉴别电路与数据选择器的第二信号输入端连接；

对于所述数据选择器，用于对由第一处理链路输出的STOP1信号和由第二处理链路输出的STOP2信号进行选择，而选出的信号则为所需的STOP信号。其中，对于所述采样电阻Rs，其为一个几欧姆的小电阻，其所在的链路作为大电流信号的处理链路，大电流信号经过Rs转化为电压信号再送到后级链路进行处理。

在一优选实施例中，所述双偏置电阻差分耦合电路包括第一偏置电阻R1、第二偏置电阻R2、第一耦合电容C1和第二耦合电容C2；

所述第一偏置电阻R1的一端接地，所述第一偏置电阻R1的另一端与第一耦合电容C1的一端连接，所述第一耦合电容C1的另一端(即作为双偏置电阻差分耦合电路的第一输出端)与带电流拉灌功能的跨阻放大电路的输入端连接，所述第一偏置电阻R1的另一端作为光电二极管PD的正极连接端，即在使用时，R1的另一端与PD的正极连接；

所述第二偏置电阻R2的一端接偏置电压Vbias，所述第二偏置电阻R2的另一端与第二耦合电容C2的一端连接，所述第二耦合电容C2的另一端(即作为双偏置电阻差分耦合电路的第二输出端)与采样电阻Rs的一端连接(Rs的另一端接地)，所述第二偏置电阻R2的另一端作为光电二极管PD的负极连接端，即在使用时，R2的另一端与PD的负极连接。

在一优选实施例中，所述带电流拉灌功能的跨阻放大电路包括第一场效应晶体管M1、第二场效应晶体管M2、反馈电阻Rf以及跨阻放大器；

所述第一耦合电容C1的另一端与跨阻放大器的输入端连接，所述反馈电阻Rf连接在跨阻放大器的输入端和跨阻放大器的输出端之间；

所述第一场效应晶体管M1的源极和第二场效应晶体管M2的源极均与跨阻放大器的输入端连接，所述第一场效应晶体管M1的栅极和第二场效应晶体管M2的栅极均与跨阻放大器的输出端连接，所述第一场效应晶体管M1的漏极接电源电压，所述第二场效应晶体管M2的漏极接地。可见，M1和M2以乙类缓冲器的形式为输入的大电流信号提供合适的泄放通路,因此可以保证在输入的电流脉冲信号比较大的时候信号依然能够处于比较线性和平滑的状态，不会因为跨阻放大器饱和而变得非线性，这样就很大程度提高了大电流信号下的时刻鉴别精度。

对于上述接收电路，其具体工作原理如下：

激光脉冲回波信号通过光电二极管PD转化为电流脉冲信号，电流脉冲信号通过双偏置电阻差分耦合电路中的C1和C2的耦合作用，以差分的方式分别输入到第一处理链路和第二处理链路进行处理；当激光脉冲回波较弱时，光电二极管PD产生的电流脉冲信号较小，带电流拉灌功能的跨阻放大电路中的跨阻放大器能够线性地将电流脉冲信号转化为幅度比较合适的电压信号；当激光脉冲回波较强时，光电二极管PD产生的电流脉冲信号较大，此时带电流拉灌功能的跨阻放大电路中的跨阻放大器将变得饱和而无法线性地放大信号，而由于所述跨阻放大电路中具有由M1和M2构成的起到电流拉灌作用的电路，为大电流信号的泄放提供了通路，这样尽管跨阻放大器饱和了但该大电流信号则不会饱和，因此仍然可以在采样电阻Rs上得到一个幅度比较合适的线性度良好的电压信号，也就是说，当输入电流脉冲信号幅度较小时，数据选择器选择STOP1作为STOP信号，当输入电流脉冲信号幅度较大时，数据选择器则选择STOP2作为STOP信号。可见，对于本发明的接收电路，无论是小电流脉冲信号还是大电流脉冲信号，其在转化为电压信号后都能保持良好的线性度，不需要任何增益控制电路即可获得超宽的动态范围，同时对于任何一个脉冲信号，其都是有用的信号，大大提高了数据利用率。此外，由于采用了上述双偏置电阻差分耦合电路和带电流拉灌功能的跨阻放大电路，本发明接收电路还具有结构简单、布线难度低、成本低等优点。

在一优选实施例中，所述第一时刻鉴别电路包括第一RC微分器、第一电压放大器以及第一过零比较器，所述带电流拉灌功能的跨阻放大电路的输出端依次经过第一RC微分器、第一电压放大器以及第一过零比较器与数据选择器的第一信号输入端连接。

具体地，如图4所示，所述带电流拉灌功能的跨阻放大电路中的跨阻放大器的输出端依次经过第一RC微分器、第一电压放大器以及第一过零比较器与数据选择器的第一信号输入端连接。在本实施例中，所述第一RC微分器用于对跨阻放大器输出的电压信号进行微分，从而将信号的峰值点转化为过零点并以此作为时刻鉴别点；所述第一电压放大器用于将从第一RC微分器传来的信号放大至合适的电平，然后将放大后的电信号发送至第一过零比较器的输入端，以进行过零比较处理，而所述第一过零比较器所输出的信号则为飞行时间测量所需要的STOP1信号(上升沿)。

在一优选实施例中，所述第一处理链路还包括第一阈值比较器，所述第一电压放大器的输出端与第一阈值比较器的第一信号输入端连接，所述第一阈值比较器的第二信号输入端接第一参考电压Vth1，所述第一阈值比较器的输出端与第一过零比较器的使能端连接，即第一阈值比较器输出的信号作为第一过零比较器所接入的使能信号Enable1，从而通过第一阈值比较器来控制第一过零比较器是否工作。对于所述第一阈值比较器，其作用是对信号进行预鉴别，即只有达到一定幅度的信号才使能过零比较器进行时刻鉴别，这样可以起到防止噪声引起的误操作的效果。

在一优选实施例中，所述第二时刻鉴别电路包括第二RC微分器、第二电压放大器以及第二过零比较器，所述采样电阻Rs的一端与第二RC微分器的输入端连接，所述第二RC微分器的输出端依次经过第二电压放大器以及第二过零比较器与数据选择器的第二信号输入端连接。在本实施例中，所述第二RC微分器用于对从采样电阻Rs上得到的电压信号进行微分，从而将信号的峰值点转化为过零点并以此作为时刻鉴别点；所述第二电压放大器用于将从第二RC微分器传来的信号放大至合适的电平，然后将放大后的电信号发送至第二过零比较器的输入端，以进行过零比较处理，而所述第二过零比较器所输出的信号则为飞行时间测量所需要的STOP2信号(上升沿)。

在一优选实施例中，所述第二处理链路还包括第二阈值比较器，所述第二电压放大器的输出端与第二阈值比较器的第一信号输入端连接，所述第二阈值比较器的第二信号输入端接第二参考电压Vth2，所述第二阈值比较器的输出端与第二过零比较器的使能端连接，即第二阈值比较器输出的信号作为第二过零比较器所接入的使能信号Enable2，从而通过第二阈值比较器来控制第二过零比较器是否工作。在本实施例中所述的第二阈值比较器，其作用与上述第一阈值比较器的作用相同，用于对信号进行预鉴别，即只有达到一定幅度的信号才使能过零比较器进行时刻鉴别，以起到防止噪声引起的误操作的效果。

在一优选实施例中，所述第二阈值比较器的输出端还与数据选择器的控制端(即选通信号端)连接。具体地，对于本实施例的第二阈值比较器，其在防止误操作的同时，其输出信号还作为数据选择器的数据选择信号，当其输出为0时，则表示采样电阻Rs所在的链路信号很弱，此时第二阈值比较器没有被触发，即此时的选通信号为“0”，因此，第一过零比较器输出的STOP1信号为有效信号，故STOP1信号作为STOP信号输出；当第二阈值比较器输出为1时，表示采样电阻Rs所在的链路正在处理大信号，即此时的选通信号为“1”，因此，第二过零比较器输出的STOP2信号为有效信号，故STOP2信号作为STOP信号输出。

本发明实施例还提供一种脉冲激光雷达系统，该系统中采用的接收电路为上述接收电路。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种超宽单射测量范围的脉冲激光雷达接收电路，其特征在于，包括双偏置电阻差分耦合电路、第一处理链路、第二处理链路和数据选择器；

所述双偏置电阻差分耦合电路用于将由光电二极管转化得到的电流脉冲信号以差分的方式分别输入到第一处理链路和第二处理链路；

所述第一处理链路包括带电流拉灌功能的跨阻放大电路和第一时刻鉴别电路，所述双偏置电阻差分耦合电路的第一输出端依次经过带电流拉灌功能的跨阻放大电路和第一时刻鉴别电路与数据选择器的第一信号输入端连接；

所述第二处理链路包括采样电阻和第二时刻鉴别电路，所述双偏置电阻差分耦合电路的第二输出端依次经过采样电阻和第二时刻鉴别电路与数据选择器的第二信号输入端连接；所述第二时刻鉴别电路包括第二RC微分器、第二电压放大器以及第二过零比较器，所述采样电阻的一端与第二RC微分器的输入端连接，所述第二RC微分器的输出端依次经过第二电压放大器以及第二过零比较器与数据选择器的第二信号输入端连接；所述第二处理链路还包括第二阈值比较器，所述第二电压放大器的输出端与第二阈值比较器的第一信号输入端连接，所述第二阈值比较器的第二信号输入端接第二参考电压，所述第二阈值比较器的输出端与第二过零比较器的使能端连接；所述第二阈值比较器的输出端还与数据选择器的控制端连接。

2.根据权利要求1所述一种超宽单射测量范围的脉冲激光雷达接收电路，其特征在于，所述双偏置电阻差分耦合电路包括第一偏置电阻、第二偏置电阻、第一耦合电容和第二耦合电容；

所述第一偏置电阻的一端接地，所述第一偏置电阻的另一端与第一耦合电容的一端连接，所述第一耦合电容的另一端与带电流拉灌功能的跨阻放大电路的输入端连接，所述第一偏置电阻的另一端作为光电二极管的正极连接端；

所述第二偏置电阻的一端接偏置电压，所述第二偏置电阻的另一端与第二耦合电容的一端连接，所述第二耦合电容的另一端与采样电阻的一端连接，所述第二偏置电阻的另一端作为光电二极管的负极连接端。

3.根据权利要求2所述一种超宽单射测量范围的脉冲激光雷达接收电路，其特征在于，所述带电流拉灌功能的跨阻放大电路包括第一场效应晶体管、第二场效应晶体管、反馈电阻以及跨阻放大器；

所述第一耦合电容的另一端与跨阻放大器的输入端连接，所述反馈电阻连接在跨阻放大器的输入端和跨阻放大器的输出端之间；

所述第一场效应晶体管的源极和第二场效应晶体管的源极均与跨阻放大器的输入端连接，所述第一场效应晶体管的栅极和第二场效应晶体管的栅极均与跨阻放大器的输出端连接，所述第一场效应晶体管的漏极接电源电压，所述第二场效应晶体管的漏极接地。

4.根据权利要求1-3任一项所述一种超宽单射测量范围的脉冲激光雷达接收电路，其特征在于，所述第一时刻鉴别电路包括第一RC微分器、第一电压放大器以及第一过零比较器，所述带电流拉灌功能的跨阻放大电路的输出端依次经过第一RC微分器、第一电压放大器以及第一过零比较器与数据选择器的第一信号输入端连接。

5.根据权利要求4所述一种超宽单射测量范围的脉冲激光雷达接收电路，其特征在于，所述第一处理链路还包括第一阈值比较器，所述第一电压放大器的输出端与第一阈值比较器的第一信号输入端连接，所述第一阈值比较器的第二信号输入端接第一参考电压，所述第一阈值比较器的输出端与第一过零比较器的使能端连接。

6.一种脉冲激光雷达系统，其特征在于，该系统中采用的接收电路为如权利要求1-5任一项所述的接收电路。

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