CN110376569B - 脉冲激光雷达的高阶放大-拟合时刻鉴别电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种脉冲激光雷达的高阶放大‑拟合时刻鉴别电路，包括滤波电路、受控增益放大电路、高速采样电路和控制器。滤波电路中，输入脉冲信号进行滤波并输出；受控增益放大电路在控制器的控制信号下对滤波输出信号实现不同增益并输出；高速采样电路采样增益输出信号并传给控制器；控制器控制受控增益放大电路和高速采样电路工作状态并实现数据传输；滤波电路输入端为输入脉冲信号，输出端连接受控增益放大电路输入端。受控增益放大电路输出端连接高速采样电路输入端；控制器输入端接时间零点信号和高速采样信号，控制器的输出信号为所鉴别出的激光回波时刻。本发明能消除因回波信号上升沿和噪声干扰引起的定时点漂移误差，提高时刻鉴别精度。

Description

脉冲激光雷达的高阶放大-拟合时刻鉴别电路
技术领域
本发明涉及激光雷达领域，特别涉及一种高精度时刻鉴别电路，应用于激光测量领域。
技术背景
激光雷达作为21世纪众多智能设备的核心传感器，已经非常广泛应用于运用在服务、安全、娱乐以及工业和实验室测量等领域。为实现激光雷达高精度测量，提高其接收电路中时刻鉴别技术是一个有效途径。
时刻鉴别电路是确定回波信号到达激光雷达接收器的时刻。传统的时刻鉴别中以上升沿时刻鉴别法和高通容阻法的误差较大，而且定时点到回波信号的实际起始点之间的时间距离由阈值电平和信号的第一过零点分别决定。比较器参考阈值大小的不同，其回波脉冲信号的上升沿的出发点也不同，所以产生的停止时刻也不同，另外，由于噪声的存在，比较器参考阈值的设置要大于阈值电平才能有效产生停止时刻的触发信号，所以在最小阈值电平到信号峰值点所在的阈值电平之间有很大的误差空间，而且最小误差是在最小设置的阈值电平时的情况。高通容阻时刻鉴别法中回波信号的到来时刻取决于回波信号在进行微分处理后过零点的位置，通常一阶过零点的位置对应于第一峰值点的时刻，其误差大小相当于上升沿的时间，在理论上这种误差存在较大的可减小区间。为了能够同时解决回波信号强度低和噪声引起的定时漂移误差，有必要对上述时刻鉴别电路进行改进提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种脉冲激光雷达的高阶放大-拟合时刻鉴别电路，能够有效消除因回波信号强度低和噪声引起的定时点漂移，压缩定时误差，提高时刻鉴别的精度，从而进一步有效提高脉冲激光测量的精度。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：一种脉冲激光雷达的高阶放大-拟合时刻鉴别电路。包括滤波电路、受控增益放大电路、高速采样电路和控制器，滤波电路中，输入脉冲信号进行滤波并输出；受控增益放大电路在控制器的控制信号下对滤波输出信号实现不同增益并输出；高速采样电路采样增益输出信号并传给控制器；控制器控制受控增益放大电路和高速采样电路工作状态并实现数据传输；滤波电路输入端为输入脉冲信号，输出端连接受控增益放大电路输入端；受控增益放大电路输出端连接高速采样电路输入端；控制器输入端接时间零点信号和高速采样信号，控制器的输出信号为所鉴别出的激光回波时刻。
本发明的有益效果是：采用一种脉冲激光雷达的高阶放大-拟合时刻鉴别电路，包括滤波电路、受控增益放大电路、高速采样电路和控制器相结合，滤波电路针对回波信号包含的噪声进行除噪操作，提高了目标信号的质量；受控增益放大电路将滤波输出信号进行不同倍数的放大输出，产生需要的信号上升沿信息；高速采样电路采样获取回波信号的数字信息；控制器处理采样数据，控制受控增益放大电路放大倍数和高速采样电路采样参数，简化了电路结构设计；一方面，滤波电路消除了除激光回波脉冲信号以外的噪声信号，使时刻鉴别操作不受噪声影响；另一方面，控制器与受控增益放大电路和高速采样电路相结合，能有效获取回波信号的脉宽、上升沿时间等数据，通过软件算法在控制器中对采样数据进行数字化处理，可消除模拟电路处理带来的硬件误差；本发明适合于低能量脉冲信号和恶劣环境下的探测，能够消除低能量和噪声干扰引起的定时误差。
附图说明
图1是本发明原理图。
图2是本发明高阶放大-拟合时刻鉴别电路的信号处理分析图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
实施例：
结合图1，一种脉冲激光雷达的高阶放大-拟合时刻鉴别电路包括滤波电路、受控增益放大电路、高速采样电路和控制器，滤波电路中，输入脉冲信号进行滤波并输出；受控增益放大电路在控制器的控制信号下对滤波输出信号实现不同增益并输出；高速采样电路采样增益输出信号并传给控制器；控制器控制受控增益放大电路和高速采样电路工作状态并实现数据传输；滤波电路输入端为输入脉冲信号，输出端连接受控增益放大电路输入端；受控增益放大电路输出端连接高速采样电路输入端；控制器输入端接时间零点信号和高速采样信号，控制器的输出信号为所鉴别出的激光回波时刻。
结合图1，滤波电路包括电阻R1和R2，电容C1和C2，电容C1的第一端作为信号的输入，电容C1的第二端分别与电阻R1和R2的第一端相连，电阻R2的第二端分别与电容C2第一端和受控增益放大电路输入端相连，电阻R1和电容C2的第二端都接地；受控增益放大电路的控制输入端与控制器相连，受控增益放大电路的输出端与高速采样电路相连，高速采样电路与控制器相连；控制器的输入端接时间零点信号，控制器输出端输出定时点信息。
结合图1，滤波电路由电容电阻构成带通滤波器，实现信号的选频操作，受控增益放大电路和高速采样电路工作状态由控制器控制，控制器控制受控增益放大电路的信号放大倍数，控制器控制高速采样电路的采样频率和采样位数相关参数，控制器接收脉冲信号采样数据并进行软件数据处理，控制器结合输入时间零点信号和软件处理数据计算出定时点位置信息并输出。
结合图2，通过高速采样电路获得回波信号峰值并发送给控制器，将阈值设置为固定值和每个脉冲采样信号进行快速比较，并获得相应的定时点信息；将所有的定时信息发送到控制器，并生成多个时间间隔。在控制器中，在MATLAB软件中绘制峰值点和相应的时间点的全部信息，然后找出其函数关系；通过数据后处理的机制，定时点无限接近于接收信号的上升沿起始点。
结合图2，将原始接收信号的峰值被设置为A0，相应的定时点为t0，放大因子为G1、G2、G3、…、Gn，逐级放大的信号峰为A1、A2、A3、…、An，对应的定时点为t1、t2、t3、…、tn。然后，信号的峰值在不同放大因子的情况下，信号和相应的定时点信息之间的矩阵定义为在上述关系中，放大因子从第二次测量值开始计算。此外，所计算的每一级放大因子都是与第一个测量峰值大小进行比较获得的。随着接收脉冲信号的逐渐增大，上升沿与阈值的交叉点不断向前移动(t0>t1>t2>t3>…>tn)。从理论上看，随着上升沿逐渐增大，上升沿趋于垂直，最小的定时点位于上升沿和Vth的交点处。
结合图2，根据矩阵X，分析漂移误差与放大系数以及接收信号峰值之间的内联关系，推导出最小漂移误差。在控制器中，通过MATLAB软件的CFTOOL工具箱调用幂逼近函数模型，所用的通式是f＝a·xb+c，式中f是定时点，x是采样脉冲信号峰值，a是自变量x的权，b是自变量x的幂，c是补偿常数。通过合理地选择a、b和c的值，矩阵X的定时点完全落在同一曲线上。最后的实际曲线函数可以被认为是对应于所有峰值和放大因子的不同定时点的函数关系，并根据拟合得到的函数可计算获得最小时刻鉴别误差的定时点。

Claims (3)

1.一种脉冲激光雷达的高阶放大-拟合时刻鉴别电路，包括滤波电路、受控增益放大电路、高速采样电路和控制器，其特征在于所述滤波电路中，输入脉冲信号进行滤波并输出；受控增益放大电路在控制器的控制信号下对滤波输出信号实现不同增益并输出；高速采样电路采样增益输出信号并传给控制器；控制器控制受控增益放大电路和高速采样电路工作状态并实现数据传输，其输出信号为所鉴别出的激光回波时刻；滤波电路输入端为输入脉冲信号，输出端连接受控增益放大电路输入端；
其中，所述高速采样电路采样增益输出信号并传给控制器处理具体为：所述高速采样电路获得脉冲采样信号峰值并发送给控制器，所述高速采样电路设置固定阈值和每个脉冲采样信号进行快速比较，并获得相应的定时点信息，将所有的定时点信息发送到控制器，并生成多个时间间隔；在控制器的MATLAB软件中绘制峰值点和相应的定时点的全部信息，然后找出其函数关系f＝a·xb+c，式中f是定时点，x是采样脉冲信号峰值，a是自变量x的权，b是自变量x的幂，c是补偿常数；
其中，所述函数关系f＝a·xb+c通过如下方式拟合：
将原始接收的信号峰值被设置为A0，相应的定时点为t0，放大因子为G1、G2、G3、…、Gn，逐级放大的信号峰值为A1、A2、A3、…、An，对应的定时点为t1、t2、t3、…、tn；然后，信号峰值在不同放大因子的情况下，信号和相应的定时点信息之间的矩阵定义为
其中，放大因子从第二次测量峰值开始计算；此外，所计算的每一级放大因子都是每一级测量峰值与第一个测量峰值大小进行比较获得；随着接收脉冲信号的逐渐增大，上升沿与阈值的交叉点不断向前移动(t0>t1>t2>t3>…>tn)；随着上升沿逐渐增大，上升沿趋于垂直，最小的定时点位于上升沿和阈值Vth的交点处，推导出最小漂移误差；
最后，根据拟合得到的函数计算获得最小时刻鉴别误差的定时点即鉴别出的激光回波时刻。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲激光雷达的高阶放大-拟合时刻鉴别电路，其特征在于所述滤波电路包括电阻R1和R2，电容C1和C2，电容C1的第一端作为信号的输入，电容C1的第二端分别与电阻R1和R2的第一端相连，电阻R2的第二端分别与电容C2第一端和受控增益放大电路输入端相连，电阻R1和电容C2的第二端都接地；受控增益放大电路的控制输入端与控制器相连，受控增益放大电路的输出端与高速采样电路相连，高速采样电路与控制器相连；控制器的输入端接时间零点信号，控制器输出端输出定时点信息。
3.根据权利要求2所述的一种脉冲激光雷达的高阶放大-拟合时刻鉴别电路，其特征在于所述滤波电路由电容电阻构成带通滤波器，实现信号的选频操作，受控增益放大电路和高速采样电路工作状态由控制器控制，控制器控制受控增益放大电路的信号放大倍数，控制器控制高速采样电路的采样频率和采样位数相关参数，控制器接收脉冲信号采样数据并进行软件数据处理，控制器结合输入时间零点信号和软件处理数据计算出定时点位置信息并输出。
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