CN109116333A - 一种多脉冲错时叠加的激光雷达回波模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多脉冲错时叠加的激光雷达回波模拟器，包括程控终端、激光回波数据库、多脉冲延时触发装置、程控激光驱动电路组、带尾纤半导体激光器组、光纤合束器、程控光衰减器、准直光学系统。本发明通过光纤合束创新实现了多脉冲错时叠加激光脉冲波形发生技术，通过脉冲延时触发模拟目标的绝对距离，数据库控制的程控光衰减反映目标反射率和大气衰减等对激光雷达回波的影响，可精确模拟出激光雷达的回波信号，具有原理明确、结构简单，波形稳定等突出优势，适用于激光雷达接收机的性能检测和激光雷达虚拟实验。

Description

一种多脉冲错时叠加的激光雷达回波模拟器

技术领域

本发明涉及激光雷达回波模拟技术，特别涉及一种多脉冲错时叠加的激光雷达回波模拟器。

背景技术

激光雷达具有抗干扰能力强、分辨率高等突出特点，在测距、测速、测角和跟踪等领域有着广泛的应用，且向着小型化、低功耗和低值化方向发展。为了摆脱传统外场测距试验对激光雷达生产效率的制约，迫切需要发展激光雷达室内半实物仿真和测距性能测试技术，而激光雷达回波模拟器是其必备关键装置，在现有报道中尚未检索到能完全满足要求的技术和装置。专利号CN201310506921.0公布了一种激光回波模拟装置及方法，实现了使激光回波模拟装置产生测试所需激光编码，产生4路模拟回波控制信号，模拟“目标在上、目标在下、目标在左、目标在右”四个方位的激光目标，但是该发明思路针对半主动激光制导炸弹全弹性能检测提出，难以应用于激光雷达室内性能检测和半实物仿真应用。此外，激光雷达回波模拟还需具备目标距离、反射特性、激光回波波形和大气衰减等方面的模拟功能，以便能全面反映出激光雷达在各种应用条件下的回波特性，因此迫切需要创造性地发展具备激光脉冲波形、幅度和出现时刻精确可调控的激光回波模拟器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多脉冲错时叠加的激光雷达回波模拟器，通过程控参数设置模拟出脉冲波形、幅度、目标距离和大气衰减等程控可调的激光雷达回波光信号。

实现本发明目的的技术方案为：一种多脉冲错时叠加的激光雷达回波模拟器，包括：程控终端、多脉冲延时触发装置、程控激光驱动电路组、带尾纤半导体激光器组、光纤合束器、程控光衰减器以及准直光学系统，其中，所述多脉冲延时触发装置用于产生n路固定频率的TTL信号，n≥2，并按程控终端设置的延时独立地对各个脉冲进行延时，所述程控激光驱动电路组用于根据程控终端设置的脉宽对n路TTL信号作脉宽调整和信号放大后输出驱动信号，所述带尾纤半导体激光器组用于发射n路激光脉冲，所述光纤合束器用于对n束激光脉冲进行合束实现时间错位叠加，所述程控光衰减器用于根据程控终端设置的衰减量对合束后的脉冲进行幅度控制，所述准直光学系统用于对波束进行准直后形成脉冲波形、幅度、延时以及准直性满足要求的激光雷达回波信号。

优选地，所述带尾纤半导体激光器组包括n个带尾纤半导体激光器。

优选地，所述程控终端与激光回波数据库连接，用于根据激光波束数据库存储的数据设置延时、脉宽、衰减量。

优选地，所述激光回波数据库包括Beer定律形式大气衰减模型和回波功率形式的激光测距方程。

优选地，所述的多脉冲延时触发装置采用数字延时和模拟延时混合设计的脉冲延时电路，具有系统稳定和延时精度高等突出优势，可独立实现各路激光的延时控制，可以达到Ps级的延时精度，延时精度优于200ps，重复频率高达20kHz。

优选地，所述准直光学系统(8)为自准直光纤棒透镜，具有结构简单、紧凑、体积小、准直效果好等突出优势。

优选地，n的值为3。

优选地，所述程控激光驱动电路组包括3pin的排针header 3、3组程控激光驱动电路，排针header 3的输出端口分别与一组程控激光驱动电路连接，每组程控激光驱动电路相同，包括脉冲发生器芯片DS1040，高速放大器芯片AD8009，N通道MOS管，直流电源+5V、+12V，固定电阻R1、R2、R4，可调电阻R3，储能电容C1、C2，+5V和+12V分别与脉冲发生器芯片DS1040和高速放大器AD8009的VCC端相连，给芯片供电；所述脉冲发生器芯片DS1040根据P2、P1、P0端口输入电平高低选择输出脉冲的脉宽大小；header 3的端口与DS1040的IN端口相连，给DS1040输入时钟信号；DS1040的输出端OUT与电阻R1一端相连，电阻R1另一端与高速放大器芯片AD8009的同相端相连；电阻R2一端接地，另一端接高速放大器芯片AD8009的反相端；可变电阻R3一端与高速放大器芯片AD8009反相端相连，另一端接高速放大器芯片AD8009的输出端；高速放大器芯片AD8009的输出端连到MOS管的栅极，MOS管的漏极与电阻R4一端相连，电阻R4另一端与+12V直流电源相连，储能电容C1和C2并联，一端接地，另一端与MOS管的漏极相连，MOS管的源极连接到激光二极管上，驱动激光二极管发光。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明引入多脉冲错时叠加激光脉冲波形发生技术可以生成出各种波形的激光脉冲信号，可精确模拟出激光发射脉冲、目标结构、照射方位和大气传输等因素对激光雷达回波的影响；2)本发明通过光纤合束结合激光器组脉冲延时触发实现了多脉冲错时叠加激光脉冲波形发生技术，具有原理明确、波形模拟效果好、体积小等突出优势；3)本发明引入了基于Beer定律形式大气衰减模型和回波功率形式的激光测距方程的激光回波数据库，通过程控光衰减器可以精确调整激光脉冲的输出幅度，模拟大气衰减、目标反射特性等对激光雷达回波的影响。

附图说明

图1为本发明的一种多脉冲错时叠加的激光雷达回波模拟器原理框图；

图2为本发明的程控激光驱动电路组原理图。

具体实施方式

如图1所示，一种多脉冲错时叠加的激光雷达回波模拟器，包括：程控终端1、多脉冲延时触发装置3、程控激光驱动电路组4、带尾纤半导体激光器组5、光纤合束器6、程控光衰减器7以及准直光学系统8，其中，所述多脉冲延时触发装置3用于产生n路固定频率的TTL信号，n≥2，并按程控终端1设置的延时独立地对各个脉冲进行延时，所述程控激光驱动电路组4用于根据程控终端1设置的脉宽对n路TTL信号作脉宽调整和信号放大后输出驱动信号，所述带尾纤半导体激光器组5用于发射n路激光脉冲，所述光纤合束器6用于对n束激光脉冲进行合束实现时间错位叠加，所述程控光衰减器7用于根据程控终端1设置的衰减量对合束后的脉冲进行幅度控制，所述准直光学系统8用于对波束进行准直后输出。本发明引入了程控光衰减器，可以通过程控来设置光衰减dB数，来对光纤合束器出来的激光脉冲幅值作进一步地调节。

进一步的实施例中，所述程控终端1与激光回波数据库2连接，用于根据激光回波数据库存储的数据设置延时、脉宽、衰减量。

进一步的实施例中，所述激光回波数据库2包括Beer定律形式大气衰减模型和回波功率形式的激光测距方程。

进一步的实施例中，以n为3对本发明做进一步说明。

如图2所示，程控激光驱动电路组原理图中的微控制器U1为stm32f103，脉冲发生器芯片U2、U3、U4为DS1040-75，高速放大器U5、U6、U7为AD8009，MOS管Q1、Q2、Q3为2N7000，直流电源为+5V、+12V，固定电阻R1、R2、R5、R6、R9、R10大小为1kΩ，固定电阻R4、R8、R12大小为10Ω，可变电阻R3、R7、R11为0-3kΩ可调的，储能电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、大小为100pF。三路TTL信号由多脉冲延时触发装置通过一个排针的三个引脚分别输入到脉冲发生器芯片DS1040-75的IN端，DS1040-75是一个可编程的一次性选择五个精确的脉冲宽度芯片，可根据P0、P1、P2端的电平高低输出不同脉宽的脉冲信号，如下所示：

微控制器U1控制DS1040-75的P0、P1、P2端的电平，从而控制输出脉冲信号的脉宽，DS1040-75输出的脉冲信号还不足以驱动MOS管，DS1040-75输出的脉冲信号需经过高速放大器AD8009放大，通过调整可调电阻R3、R7、R11输入的阻值，可独立地调节三路脉冲信号的放大倍率，放大后的脉冲信号便可以导通MOS管，驱动激光器发射激光。

多脉冲延时触发装置3采用数字延时和模拟延时混合设计的脉冲延时电路，具有系统稳定和延时精度高等突出优势，可独立实现各路激光的延时控制，延时精度优于200ps，重复频率高达20kHz。多脉冲延时触发装置3发出的三个独立信号与程控激光驱动电路组4中的header 3相连。

带尾纤半导体激光器组5选用的是THORLABS公司的LPSC-1310-FC型号的激光二极管，光纤合束器6为3×1光纤合束器，程控光衰减器7选用的是JDSUHA9光衰减器，准直光学系统8是一个自准直光纤棒透镜。

作为一种具体实施的方案，所述的多脉冲延时触发装置3可独立实现各路激光的延时控制，信号延时时间根据激光回波数据库2进行调整。

作为一种具体实施的方案，带尾纤半导体激光器组5中激光二极管发出的激光脉冲分别从尾纤输入到光纤合束器6的三个输入端中。

本发明系统具体工作步骤如下：

步骤1：程控终端设置好光衰减量、脉冲宽度、脉冲延时和重复频率。

步骤2：多脉冲延时触发装置产生三路固定频率的TTL信号，并按程控终端设置的延时对各个脉冲进行延时，然后将三路TTL信号，送到脉冲发生器芯片U2、U3和U4中。

步骤3：三路TTL信号输送到激光驱动电路中的DS1040-75芯片中，DS1040-75根据U1控制的P2、P1和P0的电平高低来选择产生的脉冲信号的脉宽；产生的脉冲信号还不足以驱动MOS管导通，需经过高速放大器AD8009放大信号，其中可变电阻R3、R7和R11可以调节脉冲信号放大的倍数；经放大的脉冲信号导通MOS管，驱动激光二极管发射激光脉冲。

步骤3：带尾纤半导体激光器发射的激光脉冲通过尾纤输入到光纤合束器中，在光纤合束器中三个激光脉冲合束实现时间错位叠加。

步骤4：光纤合束器输出的脉冲输入到程控光衰减器中，按照程控终端设置的光衰减量来对激光脉冲进行衰减，然后经准直光学系统准直后形成脉冲波形、幅度、延时以及准直性满足要求的激光雷达回波信号。

Claims (8)

1.一种多脉冲错时叠加的激光雷达回波模拟器，其特征在于，包括：程控终端(1)、多脉冲延时触发装置(3)、程控激光驱动电路组(4)、带尾纤半导体激光器组(5)、光纤合束器(6)、程控光衰减器(7)以及准直光学系统(8)，其中，所述多脉冲延时触发装置(3)用于产生n路固定频率的TTL信号，n≥2，并按程控终端(1)设置的延时独立地对各个脉冲进行延时，所述程控激光驱动电路组(4)用于根据程控终端(1)设置的脉宽对n路TTL信号作脉宽调整和信号放大后输出驱动信号，所述带尾纤半导体激光器组(5)用于发射n路激光脉冲，所述光纤合束器(6)用于对n束激光脉冲进行合束实现时间错位叠加，所述程控光衰减器(7)用于根据程控终端(1)设置的衰减量对合束后的脉冲进行幅度控制，所述准直光学系统(8)用于对波束进行准直后输出。

2.根据权利要求1所述的多脉冲错时叠加的激光雷达回波模拟器，其特征在于，所述带尾纤半导体激光器组(5)包括n个带尾纤半导体激光器。

3.根据权利要求书1所述的一种多脉冲错时叠加的激光雷达回波模拟器，其特征在于，所述程控终端(1)与激光回波数据库(2)连接，用于根据激光回波数据库存储的数据设置延时、脉宽、衰减量。

4.根据权利要求3所述的一种多脉冲错时叠加的激光雷达回波模拟器，其特征在于，所述激光回波数据库(2)包括Beer定律形式大气衰减模型和回波功率形式的激光测距方程。

5.根据权利要求书1所述的一种多脉冲错时叠加的激光雷达回波模拟器，其特征在于，所述多脉冲延时触发装置(3)采用数字延时和模拟延时混合设计的脉冲延时电路。

6.根据权利要求书1所述的一种多脉冲错时叠加的激光雷达回波模拟器，其特征在于，所述准直光学系统(8)为自准直光纤棒透镜。

7.根据权利要求书1所述的一种多脉冲错时叠加的激光雷达回波模拟器，其特征在于，n的值为3。

8.根据权利要求书7所述的一种多脉冲错时叠加的激光雷达回波模拟器，其特征在于，所述程控激光驱动电路组(4)包括3pin的排针header 3、3组程控激光驱动电路，排针header 3的输出端口分别与一组程控激光驱动电路连接，每组程控激光驱动电路相同，包括脉冲发生器芯片DS1040，高速放大器芯片AD8009，N通道MOS管，直流电源+5V、+12V，固定电阻R1、R2、R4，可调电阻R3，储能电容C1、C2，+5V和+12V分别与脉冲发生器芯片DS1040和高速放大器AD8009的VCC端相连，给芯片供电；所述脉冲发生器芯片DS1040根据P2、P1、P0端口输入电平高低选择输出脉冲的脉宽大小；header 3的端口与DS1040的IN端口相连，给DS1040输入时钟信号；DS1040的输出端OUT与电阻R1一端相连，电阻R1另一端与高速放大器芯片AD8009的同相端相连；电阻R2一端接地，另一端接高速放大器芯片AD8009的反相端；可变电阻R3一端与高速放大器芯片AD8009反相端相连，另一端接高速放大器芯片AD8009的输出端；高速放大器芯片AD8009的输出端连到MOS管的栅极，MOS管的漏极与电阻R4一端相连，电阻R4另一端与+12V直流电源相连，储能电容C1和C2并联，一端接地，另一端与MOS管的漏极相连，MOS管的源极连接到激光二极管上，驱动激光二极管发光。