CN113093202B - 一种数字化全波形激光雷达系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种数字化全波形激光雷达系统，包括激光调制、激光驱动、半导体激光二极管、分光器、光束控制、发射/接收光学天线、A/D转换器一、光电探测器一、处理器、增益控制器、A/D转换器二、可变增益放大器、光电探测器二、信号延时装置、D/A转换器、A/D转换器三、差分放大电路。本发明结合增益控制器和可变增益放大器，使得激光雷达同时具有对较强的回波信号和微弱回波信号的处理能力；通过信号延时装置和差分放大电路提取并放大回波信号峰值位置附近的脉冲信号，再结合A/D转换器，实现了采用低位A/D量化位数达到高位A/D量化位数的效果，大大地降低了数字化全波形激光雷达的成本，推动数字化全波形激光雷达的发展。

Description

一种数字化全波形激光雷达系统
技术领域
本发明属于激光雷达技术，具体为一种数字化全波形激光雷达系统。
背景技术
数字化全波形激光雷达通过对激光回波的数字信号处理获取目标距离和表面形态特征，相比于传统模拟信号处理激光雷达能使用更加灵活的信号处理手段，实现更高的测距精度，是目前激光雷达发展的重要方向。数字化全波形激光雷达对激光回波进行数字信号处理获取目标距离时主要采用峰值鉴别法，关注回波峰值部分的波形。将模拟信号转换为数字信号需要经过A/D量化，A/D位数将会影响到激光雷达测距精度，A/D量化位数越高，测距精度也将越高，但较高的A/D位数又会对器件和成本产生较大的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种数字化全波形激光雷达系统。
实现本发明目的的技术方案为：一种数字化全波形激光雷达系统，包括：激光调制模块、激光驱动模块、半导体激光二极管、分光器、光束控制模块、发射/接收光学天线、A/D转换器一、光电探测器一、处理器、增益控制器、A/D转换器二、可变增益放大器、光电探测器二、信号延时装置、D/A转换器、A/D转换器三、差分放大电路，其中，激光调制模块与激光驱动模块和光束控制模块相连，激光驱动模块的输出端与半导体激光二极管的一端相连，半导体激光二极管的另一端经分光器与光电探测器一相连，光电探测器一与A/D转换器一相连，分光器通过光束控制模块与发射/接收光学天线相连，发射/接收光学天线发出的激光脉冲经探测目标反射后由光电探测器二接收，光电探测器二与可变增益放大器相连，可变增益放大器分别与增益控制器、A/D转换器二和信号延时装置相连，差分放大电路的两个信号输入端分别与D/A转换器和信号延时装置的信号输出端相连，差分放大电路的输出端与A/D转换器三相连，处理器分别与A/D转换器一、增益控制器、A/D转换器二、信号延时装置、D/A转换器和A/D转换器三相连。
优选地，A/D转换器二和A/D转换器三的量化位数为低位，所述低位是指量化位数少于16位。
优选地，信号延时装置对可变增益放大器输出信号的延时时间t0等于D/A转换器输出脉冲起始时间t1与输入到A/D转换器二中的信号脉冲起始时间t2的差值。
优选地，D/A转换器与信号延时装置的输出脉冲的起始时间相同。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明使用数字信号处理手段分别获取参考信号和回波信号的峰值、脉宽、波峰对应的时刻等信息，从而使得目标距离等探测信息更加准确；2)本发明引入可变增益放大器，使得激光雷达同时具有对近距离处的较强回波信号和远距离处的微弱回波信号的处理能力；3)本发明引入信号延时装置和差分放大电路提取目标提取并放大回波信号峰值位置附近的信号，再对放大后的信号进行A/D量化，实现了采用低位A/D位数达到高位A/D位数相同的效果。
附图说明
图1为一种数字化全波形激光雷达系统的示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种数字化全波形激光雷达系统，包括：激光调制模块1、激光驱动模块2、半导体激光二极管3、分光器4、光束控制模块5、发射/接收光学天线6、A/D转换器一7、光电探测器一8、处理器9、增益控制器10、A/D转换器二11、可变增益放大器12、光电探测器二13、信号延时装置14、D/A转换器15、A/D转换器三16、差分放大电路17。激光驱动模块2驱动半导体激光二极管3发射激光，激光通过分光器4部分光被光电探测器一8接收形成参考信号，参考信号被A/D转换器一7转换为数字信号，送入处理器9，通过数字信号处理得到参考信号的峰值对应的时刻等信息。另外部分光经光束控制模块5控制通过发射/接收光学天线6发射出去，发射/接收光学天线6接收目标回波信号，目标回波信号经过光电探测器二13转换为电信号，处理器通过增益控制器10控制可变增益放大器12对电信号进行放大。A/D转换器二11将放大后的电信号转换为数字信号，再经过D/A转换器15转变为模拟信号。可变增益放大器12输出的另一路信号经过信号延时装置与D/A转换器15输出的信号一起送入差分放大电路17，用于将回波信号峰值附近的部分提取放大，经过A/D转换器三16转换为数字信号，经过处理器9处理得到回波信号的峰值对应的时刻等信息。根据回波信号与参考信号的信息可提取目标信息，如根据回波时刻和参考时刻的时间差，获得目标距离。根据回波信号峰值与参考信号峰值反演目标反射率。
在某些实施例中，A/D转换器二(11)和A/D转换器三(16)采用较少位数的A/D转换器，如8位6位等。
在某些实施例中，激光调制模块1与激光驱动模块2和光束控制模块5相连，可控制半导体激光二极管3输出激光波形的形状及参数。分光器4将激光光束的一部分送入光电探测器一8，经过A/D转换器一7转换为数字信号，送入处理器9作为参考信号，其余部分经过光学天线向探测目标发射。
在某些实施例中，光电探测器二13接收激光回波信号，经过可变增益放大器12放大，增益控制器10可动态调整可变增益放大器12的放大倍数，使得放大器输出信号的强度较为稳定。
在某些实施例中，可变增益放大器12输出的信号一路经过A/D转换器二11，D/A转换器15，另一路经过信号延时装置14，使得两路信号起始时刻对齐，一起送入差分放大电路17，由此将信号的峰值部分取出放大，再经过A/D转换器三16转换为数字信号，送入处理器。
在某些实施例中，A/D转换器二11和A/D转换器三16的量化位数均取较低位数，通过本发明实际上对回波信号量化位数近似于较高位数的效果。
在某些实施例中，所述A/D转换器一7用于将参考信号转换为数字信号，A/D转换器三16用于将回波信号转换为数字信号，所述处理器9通过数字信号处理手段分别获取参考信号和回波信号的峰值、脉宽、波峰对应的时刻信息，获得目标距离探测信息。
本发明中，可变增益放大器12和处理器9之间设有调节可变增益放大器12放大倍数的增益控制器10，使得激光雷达同时具有对近距离处的较强回波信号和远距离处的微弱回波信号的处理能力。
本发明中，增益控制器10和A/D转换器二11之间具有同步功能，可记录A/D转换器二11在每个采样时刻对应的增益值。
本发明中，可变增益放大器12输入到A/D转换器二11和信号延时装置14中的回波脉冲信号相同。
本发明通过差分放大电路17使得信号延时装置14的输出脉冲信号与D/A转换器15的输出脉冲信号相减并放大，从而提取并放大回波信号峰值位置附近的信号，再对该信号进行二次量化。处理器9对回波信号的峰值位置测定更加准确，即测得的目标距离更加精准。
本发明中，对回波信号量化的量化位数与A/D转换器二11和A/D转换器三16的量化位数，还有差分放大电路17的放大倍数有关，其大于A/D转换器二11和A/D转换器三16所使用的量化位数。
本发明通过信号延时装置和差分放大电路提取并放大回波信号峰值位置附近的脉冲信号，再结合A/D转换器，实现了采用低位A/D量化位数达到高位A/D量化位数的效果。此外能动态调整放大器增益，使不同距离的目标回波匹配不同的放大器增益，从而使回波信号的探测和放大较为稳定，受距离变化的影响较小。

Claims (3)

1.一种数字化全波形激光雷达系统，其特征在于，包括：激光调制模块（1）、激光驱动模块（2）、半导体激光二极管（3）、分光器（4）、光束控制模块（5）、发射/接收光学天线（6）、A/D转换器一（7）、光电探测器一（8）、处理器（9）、增益控制器（10）、A/D转换器二（11）、可变增益放大器（12）、光电探测器二（13）、信号延时装置（14）、D/A转换器（15）、A/D转换器三（16）、差分放大电路（17），其中，激光调制模块（1）与激光驱动模块（2）和光束控制模块（5）相连，激光驱动模块（2）的输出端与半导体激光二极管（3）的一端相连，半导体激光二极管（3）的另一端经分光器（4）与光电探测器一（8）相连，光电探测器一（8）与A/D转换器一（7）相连，分光器（4）通过光束控制模块（5）与发射/接收光学天线（6）相连，发射/接收光学天线（6）发出的激光脉冲经探测目标反射后由光电探测器二（13）接收，光电探测器二（13）与可变增益放大器（12）相连，可变增益放大器（12）分别与增益控制器（10）、A/D转换器二（11）和信号延时装置（14）相连，差分放大电路（17）的两个信号输入端分别与D/A转换器（15）和信号延时装置（14）的信号输出端相连，差分放大电路（17）的输出端与A/D转换器三（16）相连，处理器（9）分别与A/D转换器一（7）、增益控制器（10）、A/D转换器二（11）、信号延时装置（14）、D/A转换器（15）和A/D转换器三（16）相连；
激光驱动模块（2）驱动半导体激光二极管（3）发射激光，激光通过分光器（4）部分光被光电探测器一（8）接收形成参考信号，参考信号被A/D转换器一（7）转换为数字信号，送入处理器（9），通过数字信号处理得到参考信号的峰值对应的时刻；另外部分光经光束控制模块（5）控制通过发射/接收光学天线（6）发射出去，发射/接收光学天线（6）接收目标回波信号，目标回波信号经过光电探测器二（13）转换为电信号，处理器通过增益控制器（10）控制可变增益放大器（12）对电信号进行放大；A/D转换器二（11）将放大后的电信号转换为数字信号输入处理器，处理器输出的数字信号再经过D/A转换器（15）转变为模拟信号，可变增益放大器（12）输出的另一路信号经过信号延时装置与D/A转换器（15）输出的信号一起送入差分放大电路（17），用于将回波信号峰值附近的部分提取放大，经过A/D转换器三（16）转换为数字信号，经过处理器（9）处理得到回波信号的峰值对应的时刻；
信号延时装置（14）对可变增益放大器（12）输出信号的延时时间t0等于D/A转换器（15）输出脉冲起始时间t1与输入到A/D转换器二（11）中的信号脉冲起始时间t2的差值。
2.根据权利要求1所述的数字化全波形激光雷达系统，其特征在于，A/D转换器二（11）和A/D转换器三（16）的量化位数为低位，所述低位是指量化位数少于16位。
3.根据权利要求1或2所述的数字化全波形激光雷达系统，其特征在于，D/A转换器（15）与信号延时装置（14）的输出脉冲的起始时间相同。
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