CN111983588A - 一种自适应反馈控制装置、方法 - Google Patents

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Abstract

一种自适应反馈控制装置，应用于激光测风雷达探测器，包括：光电探测器，用于将所述激光测风雷达探测器探测到的光信号转换为电信号，模拟信号处理模块，用于将所述电信号转换为差分脉冲信号，高速AD转换模块，用于对所述差分脉冲信号进行连续采样，并将所述差分脉冲信号转换为数字信号，数字信号处理模块，用于根据所述数字信号，计算所述光电探测器的当前信噪比，以及，比较所述当前信噪比和预设的最佳信噪比，根据比较结果，生成反馈控制量，DAC反馈模块，用于根据所述反馈控制量，调节所述光电探测器工作偏压。本公开提供的一种自适应反馈装置可对光电探测器的工作偏压进行自适应反馈控制，使激光测风雷达探测器工作在最佳信噪比状态，以提高激光测风雷达探测距离及探测精度。

Description

一种自适应反馈控制装置、方法
技术领域
本公开涉及激光测风雷达测量技术领域，尤其涉及一种光电探测器自适应反馈控制装置、方法。
背景技术
光电探测器是测风激光雷达接收系统中的关键器件之一。在激光雷达中，光电探测器系统的信噪比决定了激光雷达的有效探测距离、风速测量精度等性能。由于光电探测器的输出幅度很小，为了增大输出幅度，需要配合使用大感应面的二极管和高阻值的反馈电阻。但是，大感应面的二极管会增大结电容，高阻值的反馈电阻会引起寄生电容的旁路作用，都会对电路的带宽产生影响。
为了克服这些影响，现有技术中的方法是对电路进行相位补偿，即增加旁路反馈电容，从而优化电路的带宽和稳定性。由于旁路反馈电容的选择与寄生电容密切相关，不同光电探测器的参数并不能做到完全一致，在这种情况下，不同光电探测器寄生电容的差异会使反馈电容的取值并不在最佳值，从而影响了光电探测器的信噪比性能。
发明内容
本公开一方面提供了一种自适应反馈控制装置，应用于激光测风雷达探测器，包括：光电探测器，用于将所述激光测风雷达探测器探测到的光信号转换为电信号；模拟信号处理模块，用于将所述电信号转换为差分脉冲信号；高速AD转换模块，用于对所述差分脉冲信号进行连续采样，并将所述差分脉冲信号转换为数字信号；数字信号处理模块，用于根据所述数字信号，计算所述光电探测器的当前信噪比；以及比较所述当前信噪比和预设的最佳信噪比；根据比较结果，生成反馈控制量；DAC反馈模块，用于根据所述反馈控制量，调节所述光电探测器工作偏压。
可选地，所述模拟信号处理模块包括：跨阻放大电路，用于放大所述电信号，并将所述电信号转换为脉冲信号；微分电路，用于去除所述脉冲信号中的直流成分；同向放大电路，用于放大去除了直流成分的所述脉冲信号，得到单端信号；单端转差分放大电路，用于将所述单端信号转换为所述差分脉冲信号输出。
可选地，所述跨阻放大电路包括：第一运算放大器Y1，电容Cf、C1，电阻Rf、R1；所述第一运算放大器Y1的反相输入端与所述光电探测器电连接，所述电容Cf和电阻Rf并联连接在所述第一运算放大器Y1的反相输入端和同相输出端之间，所述电容C1和电阻R2并联连接在所述第一运算放大器Y1的同相输入端和地线之间。
可选地，所述微分电路包括：电容C2，电阻R2；所述电容C2的一端与所述第一运算放大器Y1的输出端连接，另一端与所述同向放大电路的第二运算放大器Y2的同相输入端连接，所述电阻R2的一端接地，另一端与所述同向放大电路的同相输入端连接。
可选地，所述同向放大电路包括：第二运算放大器Y2，电容C3，电阻R3、R4、R5；所述第二运算放大器Y2的同相输入端与所述电容C2的另一端连接，所述电容C3和电阻R3并联在所述第二运算放大器Y2的反相输入端和输出端之间，所述电阻R4连接在所述第二运算放大器Y2的反相输入端和地线之间，所述电阻R5连接在所述第二运算放大器Y2的输出端和地线之间。
可选地，所述单端转差分放大电路包括：第三运算放大器Y3，电阻R6、R7、R8、R9；所述电阻R6的一端连接在所述第二运算放大器Y2的输出端和电阻R5之间，另一端与所述第三运算放大器Y3的同相输入端连接，所述电阻R7连接在所述第三运算放大器Y3的同相输入端和反相输出端之间，所述电阻R8连接在所述第三运算放大器Y3的反相输入端和地线之间，所述电阻R9连接在所述第三运算放大器Y3的反相输入端和同相输出端之间。
可选地，所述装置还包括：滤波电路，用于去除所述差分脉冲信号中的噪声；所述滤波电路包括：电容C4，电阻R10、R11；所述电阻R10连接在所述第三运算放大器Y3的同相输出端与所述高速AD转换模块的负输入端之间，所述电阻R11连接在所述第三运算放大器Y3的反相输出端与所述高速AD转换模块的正输入端之间，所述电容C1的两端分别与所述高速AD转换模块的正输入端和负输入端连接。
本公开另一方面还提供了一种自适应反馈控制方法，应用于如第一方面任意一项所述的自适应反馈控制装置，包括：将所述激光测风雷达探测器探测到的光信号转换为电信号；将所述电信号转换为差分脉冲信号；对所述差分脉冲信号进行连续采样，并将所述差分脉冲信号转换为数字信号；根据所述数字信号，计算所述光电探测器的当前信噪比；比较所述当前信噪比和预设的最佳信噪比；根据比较结果，生成反馈控制量；根据所述反馈控制量，调节所述光电探测器工作偏压；重复上述步骤，直到所述最佳信噪比不再变化，所述最佳信噪比对应的所述工作偏压为所述光电探测器的最佳工作偏压。
可选地，所述根据所述数字信号，计算所述光电探测器的当前信噪比，包括：根据所述数字信号，生成信号频谱；获取预置的噪声频谱；计算所述信号频谱的中心频率处的数据值与所述噪声频谱中对应频率处的数据值的差值，得到当前信噪比。
可选地，所述根据比较结果，生成反馈控制量，包括：若所述当前信噪比大于所述最佳信噪比，生成与数值为负数的反馈控制量；若所述当前信噪比小于所述最佳信噪比，生成与数值为正数的反馈控制量；其中，当所述当前信噪比大于所述最佳信噪比时，将所述最佳信噪比替换为所述当前信噪比。
在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
本公开实施例提供的一种自适应反馈控制装置及自适应反馈控制方法，对光电探测器的工作偏压进行自适应反馈控制，使激光测风雷达探测器工作在最佳信噪比状态，以提高激光测风雷达探测距离及探测精度。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1示意性示出了本公开实施例提供的一种自适应反馈控制装置的结构图；
图2示意性示出了本公开实施例提供的一种模拟信号处理模块的电路图；
图3示意性示出了本公开实施例提供的一种高速AD转换模块的示意图；
图4示意性示出了本公开实施例提供的一种DAC反馈模块的示意图；
图5示意性示出了本公开实施例提供的一种自适应反馈控制方法的流程图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。这里使用的词语“一”、“一个(种)”和“该”等也应包括“多个”、“多种”的意思，除非上下文另外明确指出。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
附图中示出了一些方框图和/或流程图。应理解，方框图和/或流程图中的一些方框或其组合可以由计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，从而这些指令在由该处理器执行时可以创建用于实现这些方框图和/或流程图中所说明的功能/操作的装置。
因此，本公开的技术可以硬件和/或软件(包括固件、微代码等)的形式来实现。另外，本公开的技术可以采取存储有指令的计算机可读介质上的计算机程序产品的形式，该计算机程序产品可供指令执行系统使用或者结合指令执行系统使用。在本公开的上下文中，计算机可读介质可以是能够包含、存储、传送、传播或传输指令的任意介质。例如，计算机可读介质可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外或半导体系统、装置、器件或传播介质。计算机可读介质的具体示例包括：磁存储装置，如磁带或硬盘(HDD)；光存储装置，如光盘(CD-ROM)；存储器，如随机存取存储器(RAM)或闪存；和/或有线/无线通信链路。
图1示意性示出了本公开实施例提供的一种自适应反馈控制装置的结构图。
如图1所示，本公开实施例提供了一种自适应反馈控制装置，应用于激光测风雷达探测器，主要包括：光电探测器110、模拟信号处理模块120、高速AD转换模块130、数字信号处理模块140、DAC反馈模块150。
光电探测器110，用于将激光测风雷达探测器探测到的光信号转换为电信号。
模拟信号处理模块120，用于将电信号转换为差分脉冲信号。
高速AD转换模块，用于对差分脉冲信号进行连续采样，并将差分脉冲信号转换为数字信号。
数字信号处理模块140，用于根据数字信号，计算光电探测器110的当前信噪比，以及比较当前信噪比和预设的最佳信噪比，根据比较结果，生成反馈控制量。
DAC反馈模块150，用于根据反馈控制量，调节光电探测器110工作偏压。
在本实施例中，当光电探测器110按预设的工作偏压工作时，模拟信号处理模块120将光电探测器110探测到的光信号转换为差分脉冲信号，高速AD转换模块130对该差分脉冲信号进行采样，并将该差分脉冲信号转换为数字量进行FFT变换，获得光电探测器110的信号频谱数据，数字信号处理模块140根据该信号频谱数据和该光电探测器110的噪声频谱数据，计算该光电探测器110的信噪比，取光电传感器信噪比最高时对应的工作偏压为光电传感器的最佳工作偏压，在光电探测器110工作过程中，不断计算其探测到的光信号的信噪比，并将该信噪比与最佳工作偏压对应的信噪比比较，以此计算光电探测器110的工作偏压的反馈控制量，并使DAC反馈模块150将该反馈控制量反馈给光电探测器110，以使光电探测器110保持在最佳工作电压工作。
图2示意性示出了本公开实施例提供的一种模拟信号处理模块120的电路图。
如图2所示，模拟信号处理模块120包括：跨阻放大电路210、微分电路220、同向放大电路230、单端转差分放大电路240。
跨阻放大电路210，用于放大电信号，并将电信号转换为脉冲信号。
微分电路220，用于去除脉冲信号中的直流成分。
同向放大电路230，用于放大去除了直流成分的脉冲信号，得到单端信号。
单端转差分放大电路240，用于将单端信号转换为差分脉冲信号输出。
参阅图2，跨阻放大电路210包括：第一运算放大器Y1，电容Cf、C1，电阻Rf、R1；第一运算放大器Y1的反相输入端与光电探测器110电连接，电容Cf和电阻Rf并联连接在第一运算放大器Y1的反相输入端和同相输出端之间，电容C1和电阻R2并联连接在第一运算放大器Y1的同相输入端和地线之间。其中，第一运算放大器Y1用于对光电探测器110输出的电流信号进行放大，放大倍数通过调整Rf的阻值调节，Cf用于电路补偿，平衡电阻R1、平衡电容C1并联连接第一级运放的同相输入端与地之间，用于抵消运算放大器的输入电流并降低电路噪声。
微分电路220包括：电容C2，电阻R2；电容C2的一端与第一运算放大器Y1的输出端连接，另一端与同向放大电路230的第二运算放大器Y2的同相输入端连接，电阻R2的一端接地，另一端与同向放大电路230的同相输入端连接。
同向放大电路230包括：第二运算放大器Y2，电容C3，电阻R3、R4、R5；第二运算放大器Y2的同相输入端与电容C2的另一端连接，电容C3和电阻R3并联在第二运算放大器Y2的反相输入端和输出端之间，电阻R4连接在第二运算放大器Y2的反相输入端和地线之间，电阻R5连接在第二运算放大器Y2的输出端和地线之间。该电路用于对信号进行放大处理，信号的放大倍数通过调整R3与R4的比例调节，补偿电容C3用于降低电路的噪声。
单端转差分放大电路240包括：第三运算放大器Y3，电阻R6、R7、R8、R9；电阻R6的一端连接在第二运算放大器Y2的输出端和电阻R5之间，另一端与第三运算放大器Y3的同相输入端连接，电阻R7连接在所述第三运算放大器Y3的同相输入端和反相输出端之间，所述电阻R8连接在所述第三运算放大器Y3的反相输入端和地线之间，所述电阻R9连接在所述第三运算放大器Y3的反相输入端和同相输出端之间。该电路用于将输入的单端信号转换为差分信号输出，信号的放大倍数通过同步调整R7与R6、R9与R8的比例调节。
在本公开实施例中，所述装置还包括：滤波电路250，用于去除所述差分脉冲信号中的噪声。滤波电路250包括：电容C4，电阻R10、R11；电阻R10连接在第三运算放大器Y3的同相输出端与高速AD转换模块130的负输入端之间，电阻R11连接在第三运算放大器Y3的反相输出端与高速AD转换模块130的正输入端之间，电容C1的两端分别与高速AD转换模块130的正输入端和负输入端连接。其中，高速AD转换模块130由12位并行高速AD转换器组成。
图3示意性示出了本公开实施例提供的一种高速AD转换模块130的示意图。
在本公开实施例中，高速AD转换器的采样率为500M每秒，12位并行差分数据输出，高速AD转换器的信号输出端与数字信号处理模块140相连，将模拟信号处理模块120输出的差分脉冲数据送入数字信号处理模块140进行数字化处理。
图4示意性示出了本公开实施例提供的一种DAC反馈模块150的示意图。
在本公开实施例中，DAC反馈模块150由14位高精度DA转换器组成。数字信号处理模块140输出的反馈控制数字量直接与高精度DA转换器的输入相连，高精度DA转换器的模拟电压输出量与光电探测器110的偏压端相连。
图5示意性示出了本公开实施例提供的一种自适应反馈控制方法的流程图。
如图5所示，本公开提供的一种自适应反馈控制方法包括步骤S510～S580。
S510，将激光测风雷达探测器探测到的光信号转换为电信号。
S520，将电信号转换为差分脉冲信号。
S530，对差分脉冲信号进行连续采样，并将差分脉冲信号转换为数字信号。
S540，根据数字信号，计算光电探测器110的当前信噪比。
具体的，计算光电探测器110的当前信噪比包括步骤S541～S543。
S541，根据数字信号，生成信号频谱。
S542，获取预置的噪声频谱。
在本公开实施例中，通过输出的反馈控制数字量设置，将光电探测器110的工作偏压设置为0，便可获得噪声的信号频谱数据。
S543，计算所述信号频谱的中心频率处的数据值与所述噪声频谱中对应频率处的数据值的差值，得到当前信噪比。
S550，比较当前信噪比和预设的最佳信噪比。
S560，根据比较结果，生成反馈控制量。
具体的，生成反馈控制量包括步骤S561～S562。
S561，若当前信噪比大于最佳信噪比，生成与数值为负数的反馈控制量，实际反映为粗调降低光电探测器110的工作偏压。
S562，若当前信噪比小于最佳信噪比，生成与数值为正数的反馈控制量，实际反映为细调升高光电探测器110的工作偏压。
其中，当当前信噪比大于最佳信噪比时，将最佳信噪比替换为当前信噪比。
为了更加清楚的说明粗调、细调标准的原理，下面仅以简单举例说明，其余调节情况与之类似，此处不再累赘。优选的，粗调时，以10％最高允许工作偏压为粗调步进，降低光电探测器110的工作偏压，对应工作偏压分别为：VL0，VL1，...，VLi，VLj，计算得到相应的信噪比数据为：SNRL0，SNRL1，...，SNRLi，SNRLj，若SNRLj＜SNRLi，则在细调时，以1％最高允许工作偏压为细调步进，从VLj值逐步升高光电探测器110的工作偏压，对应工作偏压分别为：VLj，VH0，VH1，...，VHi，VHj，计算得到相应的信噪比数据为：SNRLj，SNRH0，SNRH1，...，SNRHi，SNRHj，若SNRHj＜SNRHi，则将光电探测器110的最终工作偏压设置为VHi，此时激光雷达探测器工作在最佳信噪比状态。
S570，根据反馈控制量，调节光电探测器110工作偏压。
S580，重复上述步骤，直到最佳信噪比不再变化，最佳信噪比对应的工作偏压为光电探测器110的最佳工作偏压。
综上，本发明实施例提供了一种激光测风雷达探测器装置及自适应反馈控制方法，与现有技术相比，通过自适应反馈方法，控制光电探测器110的工作偏压，进而使激光测风雷达探测器装置工作在最佳信噪比状态，提高了激光测风雷达探测距离及探测精度。
附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (10)

1.一种自适应反馈控制装置，应用于激光测风雷达探测器，其特征在于，包括：
光电探测器(110)，用于将所述激光测风雷达探测器探测到的光信号转换为电信号；
模拟信号处理模块(120)，用于将所述电信号转换为差分脉冲信号；
高速AD转换模块(130)，用于对所述差分脉冲信号进行连续采样，并将所述差分脉冲信号转换为数字信号；
数字信号处理模块(140)，用于根据所述数字信号，计算所述光电探测器(110)的当前信噪比；以及
比较所述当前信噪比和预设的最佳信噪比；
根据比较结果，生成反馈控制量；
DAC反馈模块(150)，用于根据所述反馈控制量，调节所述光电探测器(110)工作偏压。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述模拟信号处理模块(120)包括：
跨阻放大电路(210)，用于放大所述电信号，并将所述电信号转换为脉冲信号；
微分电路(220)，用于去除所述脉冲信号中的直流成分；
同向放大电路(230)，用于放大去除了直流成分的所述脉冲信号，得到单端信号；
单端转差分放大电路(240)，用于将所述单端信号转换为所述差分脉冲信号输出。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述跨阻放大电路(210)包括：
第一运算放大器Y1，电容Cf、C1，电阻Rf、R1；
所述第一运算放大器Y1的反相输入端与所述光电探测器(110)电连接，所述电容Cf和电阻Rf并联连接在所述第一运算放大器Y1的反相输入端和同相输出端之间，所述电容C1和电阻R2并联连接在所述第一运算放大器Y1的同相输入端和地线之间。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述微分电路(220)包括：
电容C2，电阻R2；
所述电容C2的一端与所述第一运算放大器Y1的输出端连接，另一端与所述同向放大电路(230)的第二运算放大器Y2的同相输入端连接，所述电阻R2的一端接地，另一端与所述同向放大电路(230)的同相输入端连接。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述同向放大电路(230)包括：
第二运算放大器Y2，电容C3，电阻R3、R4、R5；
所述第二运算放大器Y2的同相输入端与所述电容C2的另一端连接，所述电容C3和电阻R3并联在所述第二运算放大器Y2的反相输入端和输出端之间，所述电阻R4连接在所述第二运算放大器Y2的反相输入端和地线之间，所述电阻R5连接在所述第二运算放大器Y2的输出端和地线之间。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述单端转差分放大电路(240)包括：
第三运算放大器Y3，电阻R6、R7、R8、R9；
所述电阻R6的一端连接在所述第二运算放大器Y2的输出端和电阻R5之间，另一端与所述第三运算放大器Y3的同相输入端连接，所述电阻R7连接在所述第三运算放大器Y3的同相输入端和反相输出端之间，所述电阻R8连接在所述第三运算放大器Y3的反相输入端和地线之间，所述电阻R9连接在所述第三运算放大器Y3的反相输入端和同相输出端之间。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
滤波电路(250)，用于去除所述差分脉冲信号中的噪声；
所述滤波电路(250)包括：电容C4，电阻R10、R11；
所述电阻R10连接在所述第三运算放大器Y3的同相输出端与所述高速AD转换模块(130)的负输入端之间，所述电阻R11连接在所述第三运算放大器Y3的反相输出端与所述高速AD转换模块(130)的正输入端之间，所述电容C1的两端分别与所述高速AD转换模块(130)的正输入端和负输入端连接。
8.一种自适应反馈控制方法，应用于如权利要求1至7任意一项所述的自适应反馈控制装置，其特征在于，包括：
将所述激光测风雷达探测器探测到的光信号转换为电信号；
将所述电信号转换为差分脉冲信号；
对所述差分脉冲信号进行连续采样，并将所述差分脉冲信号转换为数字信号；
根据所述数字信号，计算所述光电探测器(110)的当前信噪比；
比较所述当前信噪比和预设的最佳信噪比；
根据比较结果，生成反馈控制量；
根据所述反馈控制量，调节所述光电探测器(110)工作偏压；
重复上述步骤，直到所述最佳信噪比不再变化，所述最佳信噪比对应的所述工作偏压为所述光电探测器(110)的最佳工作偏压。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据所述数字信号，计算所述光电探测器(110)的当前信噪比，包括：
根据所述数字信号，生成信号频谱；
获取预置的噪声频谱；
计算所述信号频谱的中心频率处的数据值与所述噪声频谱中对应频率处的数据值的差值，得到当前信噪比。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据比较结果，生成反馈控制量，包括：
若所述当前信噪比大于所述最佳信噪比，生成与数值为负数的反馈控制量；
若所述当前信噪比小于所述最佳信噪比，生成与数值为正数的反馈控制量；
其中，当所述当前信噪比大于所述最佳信噪比时，将所述最佳信噪比替换为所述当前信噪比。
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