CN110646804B - 基于双脉冲激光信号的脉冲时刻鉴别电路 - Google Patents

基于双脉冲激光信号的脉冲时刻鉴别电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双脉冲激光信号的脉冲时刻鉴别电路，包括跨阻放大器、峰值保持单元、稳压单元、分压单元、第一比较器和第二比较器；所述峰值保持单元用于获取第一个脉冲激光回波对应的脉冲电压的峰值；所述跨阻放大器的输出端依次通过峰值保持单元和稳压单元与分压单元电连接，所述跨阻放大器的输出端还分别与第一比较器和第二比较器的正相输入端电连接，所述分压单元的两个分压端分别与第一比较器和第二比较器的负相输入端电连接。本发明在测距时发送两个脉冲激光信号，从而对阈值参考电压进行动态调整，并利用特定设置的双阈值进行脉冲时刻鉴别，使得到的时刻信息与回波脉冲幅度及形状无关，大大提高了测量精度。

Description

基于双脉冲激光信号的脉冲时刻鉴别电路
技术领域
本发明涉及脉冲激光测距领域，特别涉及一种基于双脉冲激光信号的脉冲时刻鉴别电路。
背景技术
脉冲激光测距具有方向性好、探测距离远以及对光源相干性要求低等优点，在环境测绘、三维立体成像、工业测量等领域得到了广泛应用。脉冲激光测距的基本原理是：激光器主动向目标发射激光脉冲，然后通过光电探测器检测目标反射回来的激光脉冲回波，再通过后端处理电路测量激光脉冲来回的传播时间从而计算出目标的距离信息。
由于激光在传播过程中，会受到大气折射、衰减、照射目标的不规则等因素的影响，使得接收到的激光脉冲与发射时的脉冲在幅度和形状上发生变化，这将导致我们难以精确把握时间间隔测量的开始和停止时刻。由于飞行时间的分辨率完全由时刻鉴别的精度来决定，为了减小误差从而提高时间测量分辨率，必须基于有效的时刻鉴别方法来设计高分辨率的时刻鉴别电路。图1为现有技术中一种固定阈值的时刻鉴别电路：目标反射回来的激光脉冲通过光电探测器转换为脉冲电流信号，然后通过跨阻放大器再转换为脉冲电压信号，该脉冲电压信号与固定阈值参考电压VREF进行比较，当脉冲电压信号小于阈值参考电压VREF时，比较器输出低电平，而当脉冲电压信号大于阈值参考电压VREF时，比较器输出高电平。图1所示的固定阈值时刻鉴别电路实现简单，但是会引入时间漂移误差，如图2所示：假设处于相同距离的三个目标物体，由于其自身表面反射系数差异、不规则性等影响，出现了图2中V1、V2和V3三种不同幅度和形状的回波脉冲信号，所述三种回波脉冲信号与阈值参考电压VREF进行比较，得到了三个不同的回波到达时刻t1、t2和t3。通常时间漂移误差为一到几个纳秒，因此在时间分辨率为纳秒量级时，图1所示的时刻鉴别电路可以满足应用要求，而在要求时间分辨率为皮秒量级的测距应用中将不再适用。
发明内容
基于现有理论可知，当脉冲电流信号通过跨阻放大器转换为脉冲电压信号后，若与固定的阈值电压进行时刻鉴别，会产生时间漂移误差，因此需要一个随脉冲电压幅度变化的动态阈值电压。但是在脉冲激光测距应用中，通常激光脉冲信号的半脉冲宽度约为几十个纳秒，后续信号处理电路无法在如此短的时间内对阈值电压进行调整。因此，本发明要解决的技术问题是提供了一种阈值电压随脉冲电压幅度动态变化以消除时间漂移误差的基于双脉冲激光信号的脉冲时刻鉴别电路。
本发明的技术方案如下：
一种基于双脉冲激光信号的脉冲时刻鉴别电路，包括跨阻放大器、峰值保持单元、稳压单元、分压单元、第一比较器和第二比较器；所述峰值保持单元用于获取第一个脉冲激光回波对应的脉冲电压的峰值；
所述跨阻放大器的输入端连接输入端口VIN，输出端与峰值保持单元的输入端电连接，所述峰值保持单元的输出端与稳压单元的输入端电连接，所述稳压单元的输出端与分压单元的第一端电连接，所述分压单元的第二端接地；
所述跨阻放大器的输出端还分别与第一比较器和第二比较器的正相输入端电连接，所述第一比较器的负相输入端与分压单元的第一分压端电连接，输出端连接第一输出端口VOUT1；所述第二比较器的负相输入端与分压单元的第二分压端电连接，输出端连接第二输出端口VOUT2；所述第一比较器和第二比较器的使能控制端均连接使能信号EN。
进一步的，所述稳压单元包括比较放大器和场效应管，所述比较放大器的正相输入端与峰值保持单元的输出端电连接，负相输入端与场效应管的源极电连接，输出端与场效应管的栅极电连接，所述场效应管的漏极连接供电电源，源极与分压单元的第一端电连接。
进一步的，所述场效应管为NMOS管。
进一步的，所述分压单元包括第一电阻、第二电阻和第三电阻，所述第一电阻的第一端与稳压单元的输出端电连接，所述第一电阻的第二端与第一比较器的负相输入端电连接，所述第一电阻的第二端还通过第二电阻与第三电阻的第一端电连接，所述第三电阻的第一端与第二比较器的负相输入端电连接，第二端接地。
进一步的，所述第一电阻、第二电阻和第三电阻的阻值均相等。
进一步的，所述跨阻放大器的输出端通过缓冲器分别与第一比较器和第二比较器的正相输入端电连接，其中，所述缓冲器的输入端与跨阻放大器的输出端电连接，输出端分别与第一比较器和第二比较器的正相输入端电连接。
进一步的，所述缓冲器的放大倍数为1。
有益效果：本发明在测距时发送两个脉冲激光信号，先通过获取第一个脉冲激光信号的回波脉冲电压的峰值信息对阈值参考电压进行动态调整，再获取第二个脉冲激光信号的回波脉冲电压，并利用特定设置的双阈值进行脉冲时刻鉴别，使得到的时刻信息与回波脉冲幅度及形状无关，从而消除了时间漂移误差，大大提高了测量精度。
附图说明
图1为现有的脉冲时刻鉴别电路结构示意图；
图2为采用图1的结构进行时刻鉴别产生时间漂移误差的示意图；
图3为本发明基于双脉冲激光信号的脉冲时刻鉴别电路的结构示意图；
图4为本发明对第二个脉冲激光回波进行时刻鉴别的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图3所示，本发明一种基于双脉冲激光信号的脉冲时刻鉴别电路，包括跨阻放大器1、峰值保持单元2、稳压单元、分压单元、缓冲器5、第一比较器6和第二比较器7；所述峰值保持单元2用于获取第一个脉冲激光回波对应的脉冲电压的峰值；所述稳压单元包括比较放大器3和场效应管4，所述场效应管4为NMOS管；所述分压单元包括阻值均相等的第一电阻8、第二电阻9和第三电阻10。
所述跨阻放大器1的输入端连接输入端口VIN，输出端与峰值保持单元2的控制端电连接，所述峰值保持单元2的输出端与比较放大器3的正相输入端电连接，所述比较放大器3的负相输入端与场效应管4的源极电连接，输出端与场效应管4的栅极电连接，所述场效应管4的漏极连接供电电源，源极与第一电阻8的第一端电连接，所述第一电阻8的第二端与第一比较器6的负相输入端电连接，所述第一电阻8的第二端还通过第二电阻9与第三电阻10的第一端电连接，所述第三电阻10的第一端与第二比较器7的负相输入端电连接，第二端接地。
所述跨阻放大器1的输出端还与缓冲器5的输入端相连，所述缓冲器5的放大倍数为1，所述缓冲器5的输出端分别与第一比较器6和第二比较器7的正相输入端电连接；所述第一比较器6的输出端连接第一输出端口VOUT1，使能控制端与第二比较器7的使能控制端电连接；所述第二比较器7的输出端连接第二输出端口VOUT2，使能控制端连接使能信号EN。
本发明的具体工作原理如下：
如图3所示，跨阻放大器1与峰值保持单元2的连接点为节点M，比较放大器3、场效应管4的源极与第一电阻8的连接点为节点N，第一电阻8与第一比较器6反相输入端的连接点为节点X，第三电阻10与第二比较器7反相输入端的连接点为节点Y。
测量时，激光器(未标示)先发射第一个脉冲激光，当光电探测器(未标示)检测到第一个脉冲激光的回波后，产生回波脉冲电流送到输入端口VIN，并经跨阻放大器1快速转换为脉冲电压送到峰值保持单元2，峰值保持单元2输出的电压先跟随跨阻放大器1的输出电压不断升高，当跨阻放大器1的输出达到峰值后，峰值保持单元2输出的电压保持跨阻放大器1输出的最大峰值电压。比较放大器3、场效应管4、第一电阻8、第二电阻9和第三电阻10构成了具有负反馈结构的稳压电路，使得节点N的电压等于峰值保持单元2的输出电压，即，节点N的电压保持为节点M处的最大峰值电压，从而获得第一个脉冲激光回波的电压峰值信息。第一电阻8、第二电阻9和第三电阻10构成了分压结构，由于第一电阻8、第二电阻9和第三电阻10的阻值相等，节点X处的电压为节点N处电压的2/3，作为第一比较器6的阈值参考电压；节点Y处的电压为节点N处电压的1/3，作为第二比较器7的阈值参考电压。在上述过程中，使能信号EN一直使第一比较器6和第二比较器7的使能控制端关闭，两个比较器均处于无效状态，不进行时刻鉴别。
在阈值参考电压的动态调整完成后，激光器发射第二个脉冲激光，由于两个激光脉冲发射的间隔时间在10-20μs之间，两个激光脉冲被同一目标反射回来的回波信号不会发生显著变化，因此可认为两次回波信号的波形相同。第二个脉冲激光回波通过光电探测器和跨阻放大器1后也转换为脉冲电压信号，由于该脉冲电压的峰值与第一个脉冲激光回波所产生的脉冲电压峰值相同，峰值保持单元2的输出电压保持不变；与此同时，使能信号EN使第一比较器6和第二比较器7的使能控制端开启，两个比较器均处于工作状态，第二个脉冲激光回波产生的脉冲电压信号经过缓冲器5后分别输入到第一比较器6和第二比较器7的正相输入端，分别与节点X、节点Y处的阈值参考电压进行比较，进行脉冲时刻鉴别。
如图4所示，时刻信息t0是回波脉冲电压开始变化的起始时间点，回波脉冲电压的峰值幅度为V4，第二个脉冲激光回波产生的脉冲电压信号与节点X处的阈值参考电压进行比较后获得时刻信息t5，与节点Y处的阈值参考电压进行比较后获得时刻信息t4，由于脉冲激光回波产生的脉冲电压的上升沿以近似线性上升，因此可认为t4－t0＝t5－t4，从而得到回波脉冲的到达时刻信息t0＝2t4－t5。因此，无论回波脉冲的幅度、峰值宽度以及上升沿和下降沿的斜率如何，回波脉冲信号开始变化的起始时间点t0只与发射延时、目标距离以及接收延时相关，从而消除了时间漂移误差。
本发明未描述部分与现有技术一致，在此不做赘述。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明的专利保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于双脉冲激光信号的脉冲时刻鉴别电路，其特征在于：包括跨阻放大器(1)、峰值保持单元(2)、稳压单元、分压单元、第一比较器(6)和第二比较器(7)；所述峰值保持单元(2)用于获取第一个脉冲激光回波对应的脉冲电压的峰值；
所述跨阻放大器(1)的输入端连接输入端口VIN，输出端与峰值保持单元(2)的输入端电连接，所述峰值保持单元(2)的输出端与稳压单元的输入端电连接，所述稳压单元的输出端与分压单元的第一端电连接，所述分压单元的第二端接地；
所述跨阻放大器(1)的输出端还分别与第一比较器(6)和第二比较器(7)的正相输入端电连接，所述第一比较器(6)的负相输入端与分压单元的第一分压端电连接，输出端连接第一输出端口VOUT1；所述第二比较器(7)的负相输入端与分压单元的第二分压端电连接，输出端连接第二输出端口VOUT2；所述第一比较器(6)和第二比较器(7)的使能控制端均连接使能信号EN；
所述分压单元包括第一电阻(8)、第二电阻(9)和第三电阻(10)，所述第一电阻(8)、第二电阻(9)和第三电阻(10)的阻值均相等；所述第一电阻(8)的第一端与稳压单元的输出端电连接，所述第一电阻(8)的第二端与第一比较器(6)的负相输入端电连接，所述第一电阻(8)的第二端还通过第二电阻(9)与第三电阻(10)的第一端电连接，所述第三电阻(10)的第一端与第二比较器(7)的负相输入端电连接，第二端接地；
第一电阻(8)与第一比较器(6)反相输入端的连接点为节点X，第三电阻(10)与第二比较器(7)反相输入端的连接点为节点Y；测量时，依次发射两个脉冲激光，在发射第二个脉冲激光之前使能信号EN使第一比较器(6)和第二比较器(7)的使能控制端关闭；在发射第二个脉冲激光时，使能信号EN使第一比较器(6)和第二比较器(7)的使能控制端开启；第二个脉冲激光回波产生的脉冲电压信号与节点X处的阈值参考电压进行比较后获得时刻信息t5，与节点Y处的阈值参考电压进行比较后获得时刻信息t4，计算(2t4－t5)的值作为回波脉冲的到达时刻信息t0。
2.根据权利要求1所述的基于双脉冲激光信号的脉冲时刻鉴别电路，其特征在于：所述稳压单元包括比较放大器(3)和场效应管(4)，所述比较放大器(3)的正相输入端与峰值保持单元(2)的输出端电连接，负相输入端与场效应管(4)的源极电连接，输出端与场效应管(4)的栅极电连接，所述场效应管(4)的漏极连接供电电源，源极与分压单元的第一端电连接。
3.根据权利要求2所述的基于双脉冲激光信号的脉冲时刻鉴别电路，其特征在于：所述场效应管(4)为NMOS管。
4.根据权利要求1所述的基于双脉冲激光信号的脉冲时刻鉴别电路，其特征在于：所述跨阻放大器(1)的输出端通过缓冲器(5)分别与第一比较器(6)和第二比较器(7)的正相输入端电连接，其中，所述缓冲器(5)的输入端与跨阻放大器(1)的输出端电连接，输出端分别与第一比较器(6)和第二比较器(7)的正相输入端电连接。
5.根据权利要求4所述的基于双脉冲激光信号的脉冲时刻鉴别电路，其特征在于：所述缓冲器(5)的放大倍数为1。
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