CN110873864B - 一种线阵激光雷达距离像模拟装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线阵激光雷达距离像模拟装置和方法，首先由多通道光电转换接收端接收激光雷达脉冲，产生触发信号；利用上位机将距离像数据发送到程控终端；程控终端将距离对应的延时数据处理分解成两部分；由数字延时模块完成大刻度延时，模拟延时模块完成小刻度精密延时；延时完成后程控终端控制输出驱动模块输出多通道脉冲信号；多通道窄脉冲激光发射端将多通道电信号转换为光信号返回到线阵激光雷达回波接收端，完成单次距离像模拟操作。本发明能够进行长时间的模拟仿真，产生连续的高精度距离像模拟延时信号，更符合实际使用情况。

Description

一种线阵激光雷达距离像模拟装置和方法

技术领域

本发明属于电子技术领域，具体涉及一种线阵激光雷达距离像模拟装置和方法。

背景技术

激光雷达是激光技术和雷达技术相结合的产物，它具有精度高、分辨率高、识别能力和抗干扰能力强的优点，可以用来进行测距、测角、角追踪、目标速度的测量以及目标活动的指示，在军事和民用领域都得到了广泛的应用。

激光雷达设计完成初期要进行各种仿真模拟试验，根据所得的试验数据检测是否符合设定的要求。线阵激光雷达距离像模拟生成器是用来检查、测试、校准线阵激光雷达的测距精度，分辨率等性能。根据距离像数据，产生连续的多路高精度的时延信号。

国内外在激光雷达的仿真系统中，有一系列成熟的仿真软件，如德国的DLR光电研究所下属的ARE机构开发了旨在模拟浓雾条件下激光雷达能见度的程序SFL，美国海军研究实验室开发了一个激光雷达系统的模型，针对各种使用情况比较不同激光雷达系统的优越性。电子科技大学研制了激光雷达的通用模型(GLM)，该模型能准确预测和评价激光雷达系统在外接应用环境下的性能。上述的研究主要是计算机软件仿真系统，这些主要是应用于激光雷达开发之前的步骤，在激光雷达设计完成时还需要有硬件电路来实现对激光雷达的性能检测及评定。

近几年来，有研究人员提出激光雷达的硬件仿真系统，但通常存在以下几个问题：

(1)只能应用于单线激光雷达的模拟仿真；

(2)仿真系统模拟的距离延时精度或分辨率较低；

(3)没有提供距离像模拟仿真，只能完成单次模拟。

发明内容

本发明的目的在于提供一种线阵激光雷达距离像模拟装置和方法。

实现本发明目的的技术方案为：一种线阵激光雷达距离像模拟装置，包括：

多通道光电转换接收端，用于接收线阵激光雷达激光脉冲，产生延时触发信号；

电延时脉冲信号发生器，用于产生多通道的距离像模拟延时；

多通道窄脉冲激光脉冲发射端，用于将电脉冲转化为光信号，返回线阵激光雷达的回波接收端。

一种线阵激光雷达距离像模拟方法，包括以下步骤：

首先由多通道光电转换接收端接收激光雷达脉冲，产生触发信号；

利用上位机将距离像数据发送到程控终端；

程控终端将距离对应的延时时间分成以10ns为单位的大刻度延时部分，和不足10ns的小刻度延时部分；

由数字延时模块完成大刻度延时，模拟延时模块完成小刻度延时；

延时完成后程控终端控制输出驱动模块输出多通道脉冲信号；

多通道窄脉冲激光发射端将多通道电信号转换为光信号返回到线阵激光雷达回波接收端，完成单次距离像模拟操作。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：(1)本发明既可应用于单点激光雷达，也可以用于线阵激光雷达；(2)本发明产生延时精度高，可达到10ps；(3)本发明设计模拟方式为距离像模拟方法，能够进行长时间的模拟仿真，更符合实际使用情况。

附图说明

图1为线阵激光雷达距离像模拟装置的整体方案示意图。

图2为本发明的多路电延时脉冲信号发生器的实现原理框图。

图3为本发明的模拟延时模块实现原理图。

具体实施方式

本发明的一种线阵激光雷达距离像模拟装置和方法，采用光电转换器件接收激光雷达脉冲将光信号转换为电信号，上位机将距离像数据传入系统的存储器，使用ARM处理器将每个通道的距离对应的延时数据分为大小刻度延时两部分，FPGA利用时钟计时完成大刻度延时，模拟延时模块利用积分电路完成高精度小刻度延时，由输出驱动模块输出多通道延时脉冲，完成一次距离模拟周期，程控终端控制系统进入下一个距离模拟周期，从而进行连续的模拟功能。根据不同的激光雷达选择不同的距离像模拟触发频率，该方案解决了上述现有的激光雷达硬件仿真存在的问题。

下面结合附图具体说明本发明的技术内容。

结合图1，一种线阵激光雷达距离像模拟装置，包括：

多通道光电转换接收端，用于接收线阵激光雷达激光脉冲，产生延时触发信号；

电延时脉冲信号发生器，用于产生多通道的距离像模拟延时；

多通道窄脉冲激光脉冲发射端，用于将电脉冲转化为光信号，返回线阵激光雷达的回波接收端。

其中，多通道光电转换接收端包括接收光学系统和光电触发电路，接收光学系统由光谱滤波镜片和有色玻璃光学衰减片组成，其中光谱滤光片为激光光源波段的干涉滤光片；光电触发电路包括光电转换器件、前置放大电路和超高速比较器，采用Si-PIN探测器作为光电转换器件，使用低噪声运算放大器设计跨阻式的前置放大电路，并利用超高速比较器对激光脉冲信号进行整形输出对应的延时触发信号。

电延时脉冲信号发生器包括数字延时模块、模拟延时模块、输出驱动模块和参考时钟；

(1)数字延时模块是由FPGA通过对固定的时钟信号进行计数，外部为25MHz的时钟信号，在FPGA内部利用自带的锁相环，对时钟信号进行四倍频处理，生成100MHz的时钟源；

(2)在数字计数延时完成之后，会立即打开模拟延时模块；利用积分运放电路，当输入端输入电压后，由于电容开始时电量为零，会随着输入电压的输入开始充电；由于运放的性质，利用虚短、虚断的概念，得出：

即

其中V为运算放大器反向输入端电压值，Vo为运算放大器输出电压，C为电容，Vi为运放积分电路输入电压，R为电阻；

上式表明，电容C上的输出电压为输入电压对时间的积分，其中负号表示信号是从反相输入端输入的；当输入信号Vi为阶跃信号，即固定不变时，在它的作用下，电容将以稳定的充电速率进行充电，输出电压Vo与时间t成线性的关系；

因此，在恒定的输入电压情况下，输入充电电压与输出电压关系式可以变为：

其中τ＝RC为时间常数，当充电时间t＝τ时，输出电压与输入电压相等；因此只要有一个稳定的电压源以及固定一个时间常数，即可实现对电容器以恒定的充电速率来充电；

在充电过程中，使用的是-5V恒压源，即Vi为-5V；

由ARM控制D/A转换器，将模拟延时时间数据转化成对应的电压信号，该电压信号与运放积分电路的输出电压通过比较器比较，当运放积分电路的输出电压达到相应的电压值时，比较器输出信号控制输出驱动模块；使用D/A转换器选用每位数字位对应1mV的模拟电压，由充电效率100mV/ns可知，模拟延时模块可达到10ps的精度；

(3)由ARM处理器作为系统的程控终端，完成与设备中其它系统之间的交互；对模拟距离数据进行处理，将其分解为数字延时部分和模拟延时部分，并将数字延时部分需要的周期数传输至FPGA进行计时，以及模拟延时需要充电的电压数字量传输至DA转换器；控制距离像模拟的模拟频率。

多通道窄脉冲激光发射端包括回波激光光源和回波光学系统，由延时脉冲信号发生器的输出驱动模块输出多通道延时脉冲，驱动相应的回波激光光源，将电信号转换为光信号，通过回波光学系统返回激光雷达回波接收端，完成单次距离模拟的延时。

本发明还提供一种线阵激光雷达距离像模拟方法，包括以下步骤：

首先由多通道光电转换接收端接收激光雷达脉冲，产生延时触发信号；

利用上位机将距离像数据发送到程控终端；

程控终端将距离对应的延时时间分成以10ns为单位的大刻度延时部分，和不足10ns的小刻度延时部分；

由数字延时模块完成大刻度延时，模拟延时模块完成小刻度延时；

延时完成后程控终端控制输出驱动模块输出多通道脉冲信号；

多通道窄脉冲激光发射端将多通道电信号转换为光信号返回到线阵激光雷达回波接收端，完成单次距离像模拟操作

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

实施例

一种线阵激光雷达距离像模拟装置，包括：

1.多通道光电转换接收端

多通道光电转换接收端采用Si-PIN探测作为光电转换器件，在此基础上使用低噪声(噪声系数NF<3)运算放大器设计跨阻式的前置放大电路，并利用超高速比较器(传播延时<10ns)对激光脉冲信号进行整形输出对应的延时触发信号。多通道光电转换接收端的光学系统由光谱滤波镜片和有色玻璃光学衰减片组成，其中光谱滤光片为激光光源波段的干涉滤光片。

2.多通道电延时系统

模拟器要模拟距离，由L＝CT(L为模拟测量距离，C为光速，T为延时时间)可知，我们只需要生成与距离相对应的延时时间即可。由程控终端将延时时间分解成以10ns为单位的大刻度时间，和剩余不足10ns的小刻度延时。由数字延时实现大刻度延时，结合模拟延时实现游标式精密时延的多通道电延时系统设计技术方案。单路高精度脉冲延时发生电路主要有数字延时模块、模拟延时模块和系统程控终端。如图2所示，包括以下步骤：

(a)数字延时模块设计

数字延时模块是由FPGA通过对固定的时钟信号进行计数，本系统中我们仅需要外部为25MHz的时钟信号，然后在FPGA内部利用自带的锁相环(PLL)，对时钟信号进行四倍频处理，生成100MHz的时钟源。数字延时模块的精度依赖于系统工作时钟的周期，利用100MHz时钟计数，则延时精度为10ns。

(b)模拟延时模块设计

在数字计数延时完成之后，会立即打开模拟延时模块。如图3所示，我们利用积分运放电路，当输入端输入电压后，由于电容开始时电量为零，就会随着输入电压的输入开始充电。由于运放的性质，我们可以利用虚短、虚断的概念，得出：

即

其中V为运算放大器反向输入端电压值，Vo为运算放大器输出电压，C为电容，Vi为运放积分电路输入电压，R为电阻。

上式表明，C上的输出电压为输入电压对时间的积分，其中负号表示信号是从反相输入端输入的。当输入信号Vi为阶跃信号，即固定不变时，在它的作用下，电容将以稳定的充电速率(V/s)进行充电，输出电压Vo与时间t成线性的关系。

因此，在恒定的输入电压情况下，输入充电电压与输出电压关系式可以变为：

其中τ＝RC为时间常数，当充电时间t＝τ时，输出电压与输入电压相等。因此只要有一个稳定的电压源以及固定一个时间常数，就可以实现对电容器以恒定的充电速率来充电。

在充电过程中，使用的是-5V恒压源，即Vi为-5V；另外当R为5KΩ、C为10pf时，选取的时间常数τ＝RC为5×10^-8s，整个充电系统的充电速率为1×10⁸V/s，也就是100mV/ns，即为所需要设置的充电效率。

由ARM控制D/A转换器，将模拟延时数据转化为对应的电压信号，该电压信号与充电积分电压通过一个比较器相连，当积分充电电路达到相应的电压值时，比较器输出控制脉冲发射信号。使用D/A转换器选用每位数字位(bit)对应1mV的模拟电压，由充电效率1mV/10ps可知，模拟延时模块可达到10ps的精度。

(c)系统程控终端

由ARM处理器作为系统的程控终端完成与设备中其它系统之间的交互；对模拟距离数据进行处理，将其分解为数字延时部分和模拟延时部分，并将数字延时部分需要的周期数传输至FPGA进行计时，以及模拟延时需要充电的电压数字量传输至DA转换器；控制距离像模拟的模拟频率。

3.多通道窄脉冲激光脉冲发射端

由多通道比较器分别输出的控制脉冲发射信号，分别驱动相应的回波激光光源，将电信号转换为光信号，通过回波光学系统返回激光雷达回波接收端，完成单次距离模拟的延时。

Claims (3)

1.一种线阵激光雷达距离像模拟装置，其特征在于，包括：

多通道光电转换接收端，用于接收线阵激光雷达激光脉冲，产生延时触发信号；多通道光电转换接收端包括接收光学系统和光电触发电路，接收光学系统由光谱滤波镜片和有色玻璃光学衰减片组成，其中光谱滤光片为激光光源波段的干涉滤光片；光电触发电路包括光电转换器件、前置放大电路和超高速比较器，采用Si-PIN探测器作为光电转换器件，使用低噪声运算放大器设计跨阻式的前置放大电路，并利用超高速比较器对激光脉冲信号进行整形输出对应的延时触发信号；

电延时脉冲信号发生器，用于产生多通道的距离像模拟延时；电延时脉冲信号发生器包括数字延时模块、模拟延时模块、输出驱动模块和参考时钟；

(1)数字延时模块是由FPGA通过对固定的时钟信号进行计数，外部为25MHz的时钟信号，在FPGA内部利用自带的锁相环，对时钟信号进行四倍频处理，生成100MHz的时钟源；

(2)在数字计数延时完成之后，会立即打开模拟延时模块；利用积分运放电路，当输入端输入电压后，由于电容开始时电量为零，会随着输入电压的输入开始充电；由于运放的性质，利用虚短、虚断的概念，得出：

即

其中V为运算放大器反向输入端电压值，Vo为运算放大器输出电压，C为电容，Vi为运放积分电路输入电压，R为电阻；

上式表明，电容C上的输出电压为输入电压对时间的积分，其中负号表示信号是从反相输入端输入的；当输入信号Vi为阶跃信号，即固定不变时，在它的作用下，电容将以稳定的充电速率进行充电，输出电压Vo与时间t成线性的关系；

因此，在恒定的输入电压情况下，输入充电电压与输出电压关系式可以变为：

其中τ＝RC为时间常数，当充电时间t＝τ时，输出电压与输入电压相等；因此只要有一个稳定的电压源以及固定一个时间常数，即可实现对电容器以恒定的充电速率来充电；

在充电过程中，使用的是-5V恒压源，即Vi为-5V；

由ARM控制D/A转换器，将模拟延时时间数据转化成对应的电压信号，该电压信号与运放积分电路的输出电压通过比较器比较，当运放积分电路的输出电压达到相应的电压值时，比较器输出信号控制输出驱动模块；使用D/A转换器选用每位数字位对应1mV的模拟电压，由充电效率100mV/ns可知，模拟延时模块可达到10ps的精度；

(3)由ARM处理器作为系统的程控终端，完成与设备中其它系统之间的交互；对模拟距离数据进行处理，将其分解为数字延时部分和模拟延时部分，并将数字延时部分需要的周期数传输至FPGA进行计时，以及模拟延时需要充电的电压数字量传输至DA转换器；控制距离像模拟的模拟频率；

多通道窄脉冲激光脉冲发射端，用于将电脉冲转化为光信号，返回线阵激光雷达的回波接收端。

2.根据权利要求1所述的线阵激光雷达距离像模拟装置，其特征在于，多通道窄脉冲激光发射端包括回波激光光源和回波光学系统，由延时脉冲信号发生器的输出驱动模块输出多通道延时脉冲，驱动相应的回波激光光源，将电信号转换为光信号，通过回波光学系统返回激光雷达回波接收端，完成单次距离模拟的延时。

3.一种基于权利要求1或2所述线阵激光雷达距离像模拟装置的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先由多通道光电转换接收端接收激光雷达脉冲，产生延时触发信号；

利用上位机将距离像数据发送到程控终端；

程控终端将距离对应的延时时间分成以10ns为单位的大刻度延时部分，和不足10ns的小刻度延时部分；

由数字延时模块完成大刻度延时，模拟延时模块完成小刻度延时；

延时完成后程控终端控制输出驱动模块输出多通道脉冲信号；

多通道窄脉冲激光发射端将多通道电信号转换为光信号返回到线阵激光雷达回波接收端，完成单次距离像模拟操作。

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