CN112444819A - 一种脉宽检测电路、测距电路、检测方法及测距方法 - Google Patents

一种脉宽检测电路、测距电路、检测方法及测距方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及激光雷达电路领域，尤其涉及一种脉宽检测电路。本申请提供了一种脉宽检测电路，包括同相比较器、反相比较器、TDC计时器，同相比较器、反相比较器与TDC计时器连接，所述的同相比较器、反相比较器用于接收脉冲信号、阈值并将两者进行比较，根据比较结果输出信号；所述的TDC计时器用于记录输出信号的时刻。本申请通过采用同相比较器、反相比较器接收脉冲信号、阈值并将两者进行比较，输出信号，TDC计时器记录输出信号的时刻，再根据两个时刻计算脉冲宽度，通过脉冲宽度来检测回波脉冲峰值，脉冲宽度的测量不受信号饱和的限制，解决了信号饱和状态下无法准确测回波脉冲峰值的问题。

Description

一种脉宽检测电路、测距电路、检测方法及测距方法
技术领域
本发明申请涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种峰值检测电路。
背景技术
在激光雷达中，对回波信号进行峰值检测有很重要的意义，峰值可以用来测试物体的反射率，也可以对测量距离进行修正，提高测量精度。
目前的峰值检测电路一般都采用峰值保持电路来检测脉冲的峰值，现在通用的峰值保持电路主要有两种：电压型和跨导型，电压型电路简单，但响应速度慢，不具有快响应的特征，很难处理高速脉冲信号。跨导型峰值保持电路具有响应速度快，动态范围大和误差小的优点，但是电路结构相对复杂。
但现有的峰值检测电路均无法解决当激光雷达的回波信号出现饱和时，无法准确检测脉冲峰值的问题。
发明内容
本申请实施例在于提出一种脉宽检测电路，解决现有技术存在的信号饱和条件下，不能准确检测脉冲峰值的问题。
为达此目的，本发明申请实施例采用以下技术方案：
一方面，一种脉宽检测电路，包括同相比较器、反相比较器、TDC计时器，同相比较器、反相比较器与TDC计时器连接，
所述的同相比较器、反相比较器将脉冲信号、阈值进行比较，根据比较结果输出信号；
所述的TDC计时器用于记录同相比较器、反相比较器输出信号的时刻，得到两个信号之间的时间间隔，即脉冲宽度。
在一种可能的实现方式中，所述的同相比较器、反相比较器用于将脉冲信号与阈值比较，根据比较结果，同相比较器在脉冲信号的上升沿输出信号，反相比较器在脉冲信号的下降沿输出信号。
另一方面，一种脉宽检测方法，包括如下步骤：
a、同相比较器将脉冲信号与阈值比较，当脉冲信号从小于阈值上升到大于阈值的时刻，在脉冲信号的上升沿输出信号；
b、反相比较器将脉冲信号与阈值比较，当脉冲信号从大于阈值下降到小于阈值的时刻，在脉冲信号的下降沿输出信号；
c、TDC计时器3接收到步骤a、b输出的信号后记录收到信号的时刻，得到两个信号之间的时间间隔，即脉冲宽度。
另一方面，一种激光雷达测距电路，包括权利要求1或2所述的脉宽检测电路，其特征在于，还包括控制单元、发射单元、接收单元，控制单元分别与发射单元、脉宽检测电路连接，接收单元与脉宽检测电路连接，其中：
所述的发射单元用于发射激光脉冲；
所述的接收单元用于接收反射的激光脉冲，并将其转换为脉冲信号发予脉宽检测电路、控制单元；
所述的峰值检测电路用于根据脉冲信号、阈值，得到脉冲宽度；
所述的控制单元用于控制发射单元、峰值检测电路，根据接收单元发来的脉冲信号，计算得出距离，并结合脉冲宽度对距离进行修正。
在一种可能的实现方式中，所述的接收单元包括雪崩二极管、跨阻放大器，所述的雪崩二极管用于接收激光脉冲并将其转换为电流信号，所述的跨阻放大器用于将电流信号放大并转换为脉冲信号。
在一种可能的实现方式中，所述的接收单元还包括二级放大器，所述的二级放大器分别与跨阻放大器、脉宽检测电路连接，用于将脉冲信号进一步放大。
在一种可能的实现方式中，所述的控制单元为微处理器或单片机，所述的发射单元为半导体激光器或固体激光器。
另一方面，一种激光雷达测距方法，所述激光雷达测距方法为发射单元向目标连续发送光脉冲，然后用接收单元接收从物体返回的光，控制器通过计算光脉冲的飞行时间来得到目标物距离，还包括脉宽检测步骤、对测量距离的修正步骤，脉宽检测步骤为采用脉宽检测电路测得激光脉冲的脉冲宽度，对测量距离的修正步骤为根据脉冲宽度，对测量距离进行修正。
在一种可能的实现方式中，所述的对测量距离的修正步骤包括：计算得出回波信号的强度，将回波信号强度输入控制单元预存的信号强度与距离的关系公式，得到概略距离，将概略距离与测量距离比较，当概略距离与测量距离之间的值大于某个数值时，进行修正。
在一种可能的实现方式中，所述的激光雷达测距方法，还包括检测反射率的步骤，包括计算得出回波信号的强度；将回波信号强度输入控制单元预存的信号强度、测量距离与反射率的关系公式，得到反射率。
本申请实施例通过采用同相比较器、反相比较器接收脉冲信号、阈值并将两者进行比较，输出信号，TDC计时器根据信号计算脉冲宽度，通过脉冲宽度可以对信号强度、反射率进行计算，并可对测量距离进行修正，脉冲宽度的测量不受信号饱和的限制，解决了信号饱和状态下无法准确测回波脉冲峰值的问题。
附图说明
图1是本申请实施例脉宽检测电路示意图。
图2是本申请实施例波形示意图。
图3是本申请实施例激光测距电路示意图。
图4是本申请实施例接收单元示意图。
图中：1、同相比较器；2、反相比较器；3、TDC计时器；4、控制单元；5、发射单元；6、接收单元；7、雪崩二极管；8、跨阻放大器；9、二级放大器。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本申请的技术方案。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本申请实施例
如图1，一种脉宽检测电路，包括同相比较器1、反相比较器2、TDC计时器3，同相比较器1、反相比较器2与TDC计时器3连接，
所述的同相比较器1、反相比较器2将脉冲信号、阈值进行比较，根据比较结果输出信号；
所述的TDC计时器3用于记录同相比较器1、反相比较器2输出信号的时刻，得到两个信号之间的时间间隔，即脉冲宽度。对时间间隔的计算也可以通过外接的处理器进行。
本实施例中，脉冲宽度定义为回波信号强度维持在阈值之上所持续的时间。
如图2所示，激光雷达脉冲信号波形在信号不饱和时一般为三角波或类似三角波，脉冲信号波形也可以为矩形波，锯齿波，尖峰波，其具有尖顶。当波形存在尖顶时，采用峰值保持的方法能测量到峰值，进而计算得到脉冲信号强度等参数。但是当脉冲信号饱和时，脉冲信号的波形为梯形波，一定时间区间内的信号为固定值，峰值保持的方法无法直接测量峰值，这种情况下，就需要对脉冲信号的脉宽进行测量。
所述的同相比较器1、反相比较器2用于将脉冲信号与阈值比较，根据比较结果，同相比较器1在脉冲信号的上升沿达到触发阈值时刻输出信号，反相比较器在脉冲信号的下降沿达到触发阈值时刻输出信号，脉冲信号的上升沿是指脉冲信号从幅度最低上升到最高的边沿，脉冲信号的下降沿是指脉冲信号从幅度最高下降到最低的边沿。
采用该脉宽检测电路进行脉宽检测方法，包括如下步骤：
a、同相比较器1将脉冲信号与阈值比较，当脉冲信号从小于阈值上升到大于阈值的时刻，在脉冲信号上升沿输出信号；
b、反相比较器2将脉冲信号与阈值比较，当脉冲信号从大于阈值下降到小于阈值的时刻，在脉冲信号下降沿输出信号；
c、TDC计时器3接收到步骤a、b输出的信号后记录收到信号的时刻，得到两个信号之间的时间间隔，即脉冲宽度。
同向比较器1、反相比较器2输出的信号优选正跃阶信号。
阈值为预先设定的数值，在进行脉宽检测前输入同相比较器1、反相比较器2中。
另一方面，一种激光雷达测距电路，包括所述的脉宽检测电路，还包括控制单元4、发射单元5、接收单元6，控制单元4分别与发射单元5、脉宽检测电路连接，接收单元6与脉宽检测电路连接，其中：
所述的发射单元5用于发射激光脉冲；
所述的接收单元6用于接收反射的激光脉冲，并将其转换为脉冲信号发予脉宽检测电路、控制单元4；
所述的峰值检测电路用于根据脉冲信号、阈值，得到脉冲宽度；
所述的控制单元4用于控制发射单元5、峰值检测电路，根据接收单元6发来的脉冲信号，计算得出距离，并结合脉冲宽度对距离进行修正。
所述的控制单元4为微处理器或单片机，还具有存储阈值的功能。所述的发射单元5为半导体激光器或固体激光器。
所述的接收单元6包括雪崩二极管7、跨阻放大器8，所述的雪崩二极管7用于接收激光脉冲并将其转换为电流信号，所述的跨阻放大器8用于将电流信号放大并转换为脉冲信号。跨阻放大器8所转化的脉冲信号一般为电压脉冲信号。
由于激光雷达的脉冲信号上升时间非常短，对脉宽检测电路的响应要求也非常高，传统的电压型检测电路响应速度慢，不具有快响应的特征，不能满足响应要求。跨导型保持电路具有响应速度快，动态范围大和误差小的优点，其采用跨导放大器将激光脉冲信号转换为电流，没有过冲现象，不需要反馈。但跨导放大器需要双电源工作且价格昂贵，激光雷达电路设计复杂、制造成本偏高。本申请实施例采用跨阻放大器8将激光脉冲信号转换为脉冲信号，电路设计简单且能满足响应要求。
所述的接收单元6还包括二级放大器9，所述的二级放大器9分别与跨阻放大器、脉宽检测电路连接，用于将脉冲信号进一步放大。
脉冲信号通过跨阻放大器8做放大时，一级放大信号增益不会很大，否则信号不稳定，为了满足测量需求，需要做二次放大，本申请实施例采用二级放大器9进行二次放大。
采用该激光雷达测距电路的激光雷达测距方法，所述激光雷达测距方法为发射单元5向目标连续发送光脉冲，然后用接收单元6接收从物体返回的光，控制单元4通过计算光脉冲的飞行时间来得到目标物距离，还包括脉宽检测步骤、对测量距离的修正步骤，脉宽检测步骤为采用脉宽检测电路测得激光脉冲的脉冲宽度，对测量距离的修正步骤为根据脉冲宽度，对测量距离进行修正。
所述的激光雷达测距方法，具体包括如下步骤：
101、控制单元4向发射单元5发出指令，发射单元5接到指令，发出激光脉冲，控制单元4记录激光脉冲发射时间；
102、激光脉冲经被测物体反射后进入接收单元6，接收单元6接收激光脉冲，并将激光脉冲放大并转换为脉冲信号，发予峰值检测电路、控制单元4；
103、控制单元4向峰值检测电路输入阈值，峰值检测电路接收步骤102得到的脉冲信号与阈值比较，计算得出脉冲宽度；
104、控制单元4收到接收单元6发来的脉冲信号，记录激光脉冲返回时间，并根据激光脉冲发射时间、激光脉冲返回时间，计算得出雷达与被测物体之间的距离；
105、控制单元4收到峰值检测电路发来的脉冲宽度，对雷达与被测物体之间的距离做进一步修正。
控制单元4包括一激光测距电路，激光测距电路测量时，通过激光脉冲返回时间减去激光脉冲发射时间，再减去激光的发射延迟，即激光脉冲发出到激光脉冲发出之间的延迟，得到激光脉冲在激光雷达和被测物体之间的往返时间T，其中激光的发射延迟是一个定值，可以通过固定距离标定来进行补偿。激光脉冲在激光雷达和被测物体之间的往返时间T除以2并乘以光速c即可得到雷达到被测物体之间的距离。
对测量距离的修正步骤包括：计算得出回波信号的强度，将回波信号强度输入控制单元预存的信号强度与距离的关系公式，计算得出修正后的距离，所有测量结果都要进行修正。
信号强度与距离的关系采取如下方法获得：通过在特定距离测量可以得到一组在各个距离下的测量距离，回波强度数据，将这些数据通过数学分析软件来进行曲线拟合，得出测量距离与回波强度之间的关系曲线，根据曲线可以得到修正距离的公式。
所述的一种激光雷达测距方法，还包括检测反射率的步骤，包括计算得出回波信号的强度；将回波信号强度输入控制单元预存的信号强度、测量距离与反射率的关系公式，得到反射率。
信号强度、测量距离与反射率的关系公式采用如下方式获得：先用特定反射率的反射物在不同距离下进行测量，得到不同距离下回波强度和距离的数据，然后再用数学软件进行曲线拟合得到不同反射率下回波强度的计算公式，然后再使用目标反射率的反射物体进行验证，再次修正等等一系列的过程，最终得到准确的反射率计算公式。
以上结合具体实施例描述了本申请的技术原理。这些描述只是为了解释本申请的原理，而不能以任何方式解释为对本申请保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本申请的其它具体实施方式，这些方式都将落入本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种脉宽检测电路，其特征在于，包括同相比较器、反相比较器、TDC计时器，同相比较器、反相比较器与TDC计时器连接，
所述的同相比较器、反相比较器将脉冲信号、阈值进行比较，根据比较结果输出信号；
所述的TDC计时器用于记录同相比较器、反相比较器输出信号的时刻，得到两个信号之间的时间间隔，即脉冲宽度。
2.根据权利要求1所述的一种脉宽检测电路，其特征在于，所述的同相比较器、反相比较器用于将脉冲信号与阈值比较，根据比较结果，同相比较器在脉冲信号的上升沿输出信号，反相比较器在脉冲信号的下降沿输出信号。
3.一种脉宽检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、同相比较器将脉冲信号与阈值比较，当脉冲信号从小于阈值上升到大于阈值的时刻，在脉冲信号的上升沿输出信号；
b、反相比较器将脉冲信号与阈值比较，当脉冲信号从大于阈值下降到小于阈值的时刻，在脉冲信号的下降沿输出信号；
c、TDC计时器3接收到步骤a、b输出的信号后记录收到信号的时刻，得到两个信号之间的时间间隔，即脉冲宽度。
4.一种激光雷达测距电路，包括权利要求1或2所述的脉宽检测电路，其特征在于，还包括控制单元、发射单元、接收单元，控制单元分别与发射单元、脉宽检测电路连接，接收单元与脉宽检测电路连接，其中：
所述的发射单元用于发射激光脉冲；
所述的接收单元用于接收反射的激光脉冲，并将其转换为脉冲信号发予脉宽检测电路、控制单元；
所述的峰值检测电路用于根据脉冲信号、阈值，得到脉冲宽度；
所述的控制单元用于控制发射单元、峰值检测电路，根据接收单元发来的脉冲信号，计算得出距离，并结合脉冲宽度对距离进行修正。
5.根据权利要求4所述的一种激光雷达测距电路，其特征在于，所述的接收单元包括雪崩二极管、跨阻放大器，所述的雪崩二极管用于接收激光脉冲并将其转换为电流信号，所述的跨阻放大器用于将电流信号放大并转换为脉冲信号。
6.根据权利要求5所述的一种激光雷达测距电路，其特征在于，所述的接收单元还包括二级放大器，所述的二级放大器分别与跨阻放大器、脉宽检测电路连接，用于将脉冲信号进一步放大。
7.根据权利要求4所述的一种激光雷达测距电路，其特征在于，所述的控制单元为微处理器或单片机，所述的发射单元为半导体激光器或固体激光器。
8.一种激光雷达测距方法，其特征在于，所述激光雷达测距方法为发射单元向目标连续发送光脉冲，然后用接收单元接收从物体返回的光，控制单元通过计算光脉冲的飞行时间来得到目标物距离，还包括脉宽检测步骤、对测量距离的修正步骤，脉宽检测步骤为采用脉宽检测电路测得激光脉冲的脉冲宽度，对测量距离的修正步骤为根据脉冲宽度，对测量距离进行修正。
9.根据权利要求8所述的一种激光雷达测距方法，其特征在于，所述的对测量距离的修正步骤包括：计算得出回波信号的强度，将回波信号强度输入控制单元预存的信号强度与距离的关系公式，得到概略距离，将概略距离与测量距离比较，当概略距离与测量距离之间的值大于某个数值时，进行修正。
10.根据权利要求9所述的一种激光雷达测距方法，其特征在于，还包括检测反射率的步骤，包括计算得出回波信号的强度；将回波信号强度输入控制单元预存的信号强度、测量距离与反射率的关系公式，得到反射率。
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