CN109375194A - 用于激光雷达的模拟前端读出电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光雷达技术领域,为解决激光雷达读出电路误差及功耗问题,提出单通道前端模拟读出电路,本发明,用于激光雷达的模拟前端读出电路,激光探测器探测光电流,通过跨阻放大器将光电流信号转化为电压信号并放大,放大倍数为‑Rf,其中Rf为跨阻放大器反馈电阻,经过跨阻放大器后,由可调增益放大器VGA对电压信号进行第二级放大,VGA通过开关控制反馈电阻的并联个数,达到调节增益的目的;通过调节VGA增益,使得VGA输出电压信号幅值处在峰值检测模块、频率检测模块所需的输入动态范围内,最后电压信号通过峰值检测电路将峰值信号输出至后端模/数转换器。本发明主要应用于激光雷达设计制造场合。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域,具体讲,涉及用于激光雷达的模拟前端读出电路。
背景技术
激光雷达(Lidar)是传统雷达与激光技术相结合的产物。以微波雷达原理为基础,将激光束作为新的探测信号,充分发挥了激光亮度高,具有良好的方向性、单色性和相干性的特点,使激光雷达具备了频率快、峰值功率高、波长范围广、体积小等技术优势。激光雷达系统结合全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS),可以快速、准确地获取测量点的高精度三维坐标数据,建立数字线划地图、数字正射影像图、数字高程模型等,在各个领域得到广泛应用,己成为当今科学研究、理论创新的热点,倍受关注。
针对激光雷达的回波脉冲信号,采用读出电路结构进行处理分析。现阶段的激光雷达常用读出电路结构主要有两种。第一种结构是跨阻放大器(TIA)、比较器和时间数字转换器(TDC)。当激光器发射光束时TDC开始计时,跨阻放大器将接收到的电流信号转换为电压信号并放大,然后输入到比较器中。当比较器接收到的电压高于阈值电压时产生触发信号,TDC停止计时。但是此方案存在误差较大的缺点,当两束回波形状或幅值不同时,触发时间点不同,会产生行走误差。第二种结构是跨阻放大器和模拟数字转换器(ADC)。跨阻放大器将回波信号转换并放大后输入到ADC,信号被直接数字化。但是采用这种结构无法判断回波信号到达ADC的时刻,因此ADC必须全程工作,功耗巨大,且高速ADC结构复杂,不易多通道集成。
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发明内容
为克服现有技术的不足,解决激光雷达读出电路误差及功耗问题,本发明旨在提出一种单通道前端模拟读出电路。为此,本发明采取的技术方案是,用于激光雷达的模拟前端读出电路,激光探测器探测光电流,通过跨阻放大器将光电流信号转化为电压信号并放大,放大倍数为-Rf,其中Rf为跨阻放大器反馈电阻,经过跨阻放大器后,由可调增益放大器VGA对电压信号进行第二级放大,VGA通过开关控制反馈电阻的并联个数,达到调节增益的目的;通过调节VGA增益,使得VGA输出电压信号幅值处在峰值检测模块、频率检测模块所需的输入动态范围内,最后电压信号通过峰值检测电路将峰值信号输出至后端模/数转换器,从而获得波形的幅值信息;电压信号通过频率检测电路直接输出数字信号,并通过计数器检测波形实时频率。
频率检测电路是通过实时比较器、计数器来实现,比较器采用未经补偿的全差分放大器,通过设置一个合理的阈值电压作为比较器参考电位,另一端接VGA输出,计数器通过计算时间段内比较器的翻转次数,得到激光回波信号的重复频率。
峰值检测电路包括一个峰值强度检测器和一个时间幅度转换器TAC,测量从发射激光开始,峰值强度检测器中的采样/保持电路保持峰值电压,输出峰值强度信号;时间幅度转换器中的采样/保持电路保持斜坡电压,输出峰值范围信号,由此得到电路峰值信息。
本发明的特点及有益效果是:
本发明将激光雷达探测器、前端读出电路、数字化电路等进行结构优化组合,最终形成适用于激光雷达系统的模拟前端读出电路结构。本发明将有效提升信号质量、提高抗干扰能力实现高精度测量,并大幅度降低系统功耗,实现集成化、智能化和微型化。
附图说明:
图1模拟读出电路整体结构框图。
图2单通道前端模拟读出电路原理图。
图3频率检测电路波形图。
图4高精度峰值检测电路结构原理图。
具体实施方式
为克服现有技术的不足,解决激光雷达读出电路误差及功耗问题,本发明旨在实现一种单通道前端模拟读出电路。电路整体共包括五个模块,如图1所示,分别为探测器模块、信号放大模块、自动增益控制模块、峰值检测模块和频率检测模块。
对于特定的应用场合,激光雷达需要探测的距离较远(例如车载激光雷达),要求读出电路的增益带宽足够大,才能读取微弱的光电流信号。激光回波功率朗伯体反射模型如下:
其中,Pr为回波功率,Pt为激光发射功率,St为目标反射率,Tr接收光学系统效率,Tt为发射光学系统效率,Ar为接收光学面积,θ为入射光线与法线的夹角,R为四象限探测器与目标物之间的距离,Ua为大气衰减系数。
由于跨阻放大器中带宽和增益存在折中关系,需要兼顾增益和带宽要求,所以在跨阻放大器后另接一级可变增益放大器,进一步放大信号。其中脉冲带宽的计算方法不尽相同,在只参考脉冲上升时间的情况下,10ns脉宽的上升时间按4ns计算,计算得到的带宽要求约为:
根据上述激光雷达的应用背景和性能要求,设计单通道前端模拟读出电路整体结构如图2所示。目标反射回来的激光回波能量经光电探测器21产生微弱的光生电流,前端高带宽高增益跨阻放大器(TIA)22将电流信号转换为电压脉冲信号;可变增益放大器(VGA)23实现两个数量级动态范围的信号调整,通过开关控制反馈电阻的并联个数,达到调节增益的目的;高精度实时比较器24和计数器25完成频率检测功能,进而实现对激光重复频率的准确获取;高精度峰值检测电路26完成单通道脉冲信号峰值检测功能,将获取的单通道峰值电压信号传送到模/数转换器27进行数字化处理。
频率检测电路波形图如图3所示。频率检测电路通过高精度实时比较器24和计数器25来实现。高精度实时比较器24一端接设置的阈值电压Vth作为参考电压,另一端接可变增益放大器23的输出端;比较器24的输出端接计数器25的输入端,计数器25获得比较器的翻转次数N。通过计算1s时间内,比较器的翻转次数N,得到激光回波信号的重复频率。通过对激光重复频率的准确获取,完成激光编码识别。激光脉冲编码技术可以在复杂光电环境中排除干扰,将目标指示器发出的激光脉冲作为信息载体,并对其进行一定规律的调制,在接收端对其进行解调变换,获取激光携带的信息。
高精度峰值检测电路26结构如图4所示,主要包括三个电路模块,峰值强度检测器41、时间幅度转换器(TAC)42和存储器(RAM)43。峰值强度检测器41中主要包括运算放大器411、PMOS开关412、采样电容413、采样/保持电路(S/H)414、比较器415和数/模转换器(DAC)416;时间幅度转换器42主要包括采样/保持电路(S/H)421和采样电容422。首先,通过复位信号RESET控制开关S3初始化电路。门信号GATE控制开关S1和S2,当门信号GATE为高电平时启动峰值强度检测器41和时间幅度转换器42。当峰值强度检测器41开始工作时,输入信号Iin由可变增益放大器23的输出端接入运算放大器411正端。由运算放大器411、PMOS开关412和采样电容413构成负反馈回路,通过负反馈达到稳定状态,使得峰值信号存储在采样电容413上。采样电容413上极板与采样/保持电路(S/H)414输入端相连,采样/保持电路(S/H)414输出端输出INTENSITY峰值强度信号。运算放大器411的输出信号接入比较器415正端,比较器415负端与数/模转换器(DAC)416输出端相连,比较器415输出端信号触发时间幅度转换器(TAC)42中的采样/保持电路(S/H)421。数/模转换器(DAC)416对存储在存储器(RAM)43中的数据进行校正。在峰值强度检测器41工作期间,时间幅度转换器(TAC)42并行工作。在门信号GATE为高电平时,电流源对时间幅度转换器(TAC)42中的电容422进行充电。在进行峰值电压检测时,比较器415输出电压为低电平,峰值强度检测器41中的采样/保持电路(S/H)414保持峰值电压,输出INTENSITY峰值强度信号;时间幅度转换器(TAC)42中的采样/保持电路(S/H)421保持斜坡电压,输出RANGE峰值范围信号。由此得到电路峰值信息。最后高精度峰值检测电路26输出信号接至后端模/数转换器27输入端,进行数字化处理,从而获得波形的幅值信息。
Claims (3)
1.一种用于激光雷达的模拟前端读出电路,其特征是,激光探测器探测光电流,通过跨阻放大器将光电流信号转化为电压信号并放大,放大倍数为-Rf,其中Rf为跨阻放大器反馈电阻,经过跨阻放大器后,由可调增益放大器VGA对电压信号进行第二级放大,VGA通过开关控制反馈电阻的并联个数,达到调节增益的目的;通过调节VGA增益,使得VGA输出电压信号幅值处在峰值检测模块、频率检测模块所需的输入动态范围内,最后电压信号通过峰值检测电路将峰值信号输出至后端模/数转换器,从而获得波形的幅值信息;电压信号通过频率检测电路直接输出数字信号,并通过计数器检测波形实时频率。
2.如权利要求1所述的用于激光雷达的模拟前端读出电路,其特征是,频率检测电路是通过实时比较器、计数器来实现,比较器采用未经补偿的全差分放大器,通过设置一个合理的阈值电压作为比较器参考电位,另一端接VGA输出,计数器通过计算时间段内比较器的翻转次数,得到激光回波信号的重复频率。
3.如权利要求1所述的用于激光雷达的模拟前端读出电路,其特征是,峰值检测电路包括一个峰值强度检测器和一个时间幅度转换器TAC,测量从发射激光开始,峰值强度检测器中的采样/保持电路保持峰值电压,输出峰值强度信号;时间幅度转换器中的采样/保持电路保持斜坡电压,输出峰值范围信号,由此得到电路峰值信息。
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