CN113514817A - 超高动态范围激光脉冲信号探测处理电路结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超高动态范围激光脉冲信号探测处理电路，包括光电转化电路、ADC数据采集电路，光电转化电路将光脉冲信号转换成模拟电脉冲信号，ADC数据采集电路将模拟电脉冲信号转换成数字电脉冲信号，所述的光电转化电路为同源分级光电转化电路，同源分级光电转化电路设有n个通道，各个通道的放大倍数在通道间具有转化系数N；ADC数据采集电路为与同源分级光电转化电路对应的n个通道，n个通道同步采集。通过设置的同源分级不同放大倍数的光电转化电路，根据不同输入信号强度，采用不同的转化通道，以在当前通道容许的动态范围内获取较高精度的采集数据，从而降低了对元器件的性能需求，并确保输出的电压与后继ADC数据采集电路的动态范围适配。
Description
技术领域
本发明涉及光信号探测领域，特别是一种超高动态范围激光脉冲信号探测处理电路。
背景技术
基于TOF（飞行时间法成像）方案的激光测距雷达的测距原理：发射激光脉冲信号对目标进行照射，由于目标表面的反射作用，形成返回光脉冲信号。
返回光脉冲信号被激光雷达的光学系统捕获、转化为电信号进行处理，最终计算获得光脉冲发射、返回光脉冲接收事件间的时间差，利用下式可以得出目标的距离。
D = (T×c)/2；
D为距离，T为激光飞行时间，c为光速。
激光雷达光电信号探测、处理电路如图8中所示。返回光脉冲信号经过光电转化电路形成模拟电脉冲信号。ADC数据转化电路将模拟电脉冲信号转换为数字化电脉冲信号，并将数字化电脉冲信号发送至数据处理、存储和传输电路。数据处理、存储和传输电路对数字化电脉冲信号进行处理以获取返回光信号的时刻，进而获取测距距离进行存储、传输。现有技术中存在的技术问题是：
现有技术中，光电转化电路的数学模型为：
S = o×η×z；
o：返回光光强，单位：瓦特。η：光电转化率，单位：安培/瓦特。Z：夸阻放大系数，单位：伏特/安培。S：模拟电脉冲信号。
返回光强度随距离衰减模型为：
o = (O×A)/(D2)；
o：返回光光强，单位：瓦特。O：发射光光强，单位：瓦特。A：综合系数。D：目标距离。
综合上述模型可见，回光信号强度与距离平方成反比，即激光信号会随距离增大呈指数级衰减。
1米远目标 与 200米远目标，在系统其他参数不发生变化的情况下，回光经过光电转化后模拟电脉冲信号强度比值为1：40000。
基于上述动态范围，对运放、ADC性能需求进行推导：
1）假设运放最大信号输出3V、模拟脉冲系统信噪比最小30、最大光电响应电流10mA、ADC 最大信号输入2V。
光电转化电路放大倍数：3V/10mA = 300。
小信号光响应电流： 10mA/40000 = 250nA。
小信号模拟脉冲强度：250nA*300 = 75uV。
模拟脉冲噪声最大值：75uV/30 = 2.5uV。
ADC 位数要求：2V/2.5uV = 800000 = 219.6096 ,位数要求为 20位。
工程中，取脉冲宽度上升沿5ns，则信号带宽为100MHz，ADC采样率最少1GHz。如下两点要求在工程中实现难度较大：信号带宽100Mhz、信号噪声小于2.5uV运放器。采样率1GHz(10倍采样设定)、位宽为20位的ADC器件。
由上述的分析，也得出两难的结论，当采用较低放大倍率的光电转化电路，则远处的回光信号难以被采集，或者采集精度要求过高，而导致成本高昂。而即便采用了高采集精度，高放大倍率的光电转化电路，采集微弱信号，又很容易导致近处的回光信号经过光电转换后的输出电压，超出采集元件的动态范围。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种超高动态范围激光脉冲信号探测处理电路，能够降低对元器件的性能需求，即以要求较低的元器件实现超高动态范围激光脉冲信号探测，大幅降低设备成本。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种超高动态范围激光脉冲信号探测处理电路，包括光电转化电路、ADC数据采集电路，光电转化电路将光脉冲信号转换成模拟电脉冲信号，ADC数据采集电路将模拟电脉冲信号转换成数字电脉冲信号，所述的光电转化电路为同源分级光电转化电路，同源分级光电转化电路设有n个通道，各个通道的放大倍数在通道间具有转化系数N；
ADC数据采集电路为与同源分级光电转化电路对应的n个通道，n个通道同步采集。
优选的方案中，以通道的最小放大倍数为基数，转化系数N为正数。
优选的方案中，还设有数据处理、存储和传输电路，ADC数据采集电路通过相应的多个通道将数字电脉冲信号发送至数据处理、存储和传输电路。
优选的方案中，所述的同源分级光电转化电路设有多个放大倍数不同的接收光学系统，各个接收光学系统的放大倍数与匹配的放大电路的放大倍数构成当前通道的放大倍数。
优选的方案中，所述的同源分级光电转化电路设有特定分光比例的分光光学器件，分光光学器件之后设有多个接收光学系统，特定的分光比例与相应的接收光学系统的放大倍数及其匹配的放大电路的放大倍数构成当前通道的放大倍数。
优选的方案中，在透镜光学器件聚焦的焦点光斑范围内，设有多个光电探测单元，各个光电探测单元的放大倍数与匹配的放大电路的放大倍数构成当前通道的放大倍数。
优选的方案中，各个光电探测单元的位置、光敏面大小和感光材料系数中的一个或多个参数的组合，构成当前光电探测单元的放大倍数。
优选的方案中，单个光电探测单元中，采用电阻或电阻分压网络拓扑结构实现电流或电压按比例转化，分压网络输出的放大倍数与匹配的放大电路的放大倍数共同构成分级放大效果。
优选的方案中，单个光电探测单元中，采用镜像电流源或比例镜像电流源对光响应电流进行复制后再各自进行电压信号放大，镜像电流源或比例镜像电流源的放大报数与后续电路放大参数共同构成分级放大效果。
优选的方案中，ADC数据采集电路采用单片集成多通道ADC器件的结构；
或者ADC数据采集电路采用多片单通道，并在各个单通道之间设置同步控制电路的结构。
本发明提供的一种超高动态范围激光脉冲信号探测处理电路，通过设置的同源分级光电转化电路，根据不同输入信号强度，采用不同的转化通道，以在当前通道容许的动态范围内获取较高精度的采集数据，从而降低了对元器件的性能需求，并确保输出的电压与后继ADC数据采集电路的动态范围适配。经测试，运放器模拟脉冲噪声最大值0.5mV，ADC器件的位宽12位即可满足要求，大幅降低设备的实现难度，降低设备成本。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的整体结构框图。
图2为本发明中同源分级光电转化电路的结构示意图。
图3为本发明中同源分级光电转化电路的另一可选结构示意图。
图4为本发明中同源分级光电转化电路的另一可选结构示意图。
图5为本发明中同源分级光电转化电路的另一可选结构示意图。
图6为本发明中同源分级光电转化电路的另一可选结构示意图。
图7为本发明中同源分级光电转化电路的另一可选结构示意图。
图8为本发明中放大电路的示意图。
图9为现有技术中激光脉冲信号探测处理电路的结构框图。
图中：同源分级光电转化电路1，透镜光学器件101，光电探测单元102，放大电路103，分光光学器件104，分压网络105，镜像电流源106，ADC数据采集电路2，数据处理、存储和传输电路3。
具体实施方式
实施例1：
如图1中，一种超高动态范围激光脉冲信号探测处理电路，包括光电转化电路、ADC数据采集电路，光电转化电路将光脉冲信号转换成模拟电脉冲信号，ADC数据采集电路将模拟电脉冲信号转换成数字电脉冲信号，所述的光电转化电路为同源分级光电转化电路1，同源分级光电转化电路1设有n个通道，各个通道的放大倍数在通道间具有转化系数N；
ADC数据采集电路2为与同源分级光电转化电路对应的n个通道，n个通道同步采集。优选的方案中，以通道的最小放大倍数为基数，转化系数N为正数。
优选的方案中，还设有数据处理、存储和传输电路，ADC数据采集电路通过相应的多个通道将数字电脉冲信号发送至数据处理、存储和传输电路。
以n=2通道为例加以说明，通道间转化系数N=200。
通道1放大倍数为300，则通道2放大倍数为300×N=300×200=60000倍。
当通道2放大后信号为3V，即光响应电流3V/60000 = 0.05mA时：
通道1弱光信号强度为：0.05mA×300 = 15mV。
通道1模拟脉冲噪声最大值：15mV/30 = 0.5mV。
通道1对应的 ADC数据采集电路2的位数要求为：
2V/0.5mV = 400 ，即211.9658 ,位数要求低于 12位，元器件容易满足要求。
通道2弱光信号强度为：250nA×300×200 = 15mV
通道2模拟脉冲噪声最大值：15mV/30 = 0.5mV
通道2对应的 ADC数据采集电路2的位数要求为：
2V/0.5mV = 400，即211.9658 ,位数要求低于 12位，元器件容易满足要求。根据不同的输入光信号强度，选择不同的通路，即可在降低元器件使用要求的基础上，确保探测精度。
与现有技术中相比，元器件性能需求变化如下：
现有技术需求2.5uV， 1GHz、位宽20位 ；本发明需求0.5mV ,1GHz、位宽12位。由上述分析可见，当通道数n=2， 通道间转化系数N=200时器件性能需求明显降低。同理当n 变大时，对器件性能的要求会进一步降低，使得工程实现变得可行，从而为降低器件成本提供了权衡的可能性。
实施例2：
在实施例1的基础上，优选的方案如图2中，所述的同源分级光电转化电路设有多个放大倍数不同的接收光学系统，例如不同放大倍数的透镜光学器件101，各个接收光学系统的放大倍数与匹配的放大电路的放大倍数构成当前通道的放大倍数。可选的放大电路如图8中所示。
实施例3：
在实施例1的基础上，优选的方案如图3、4中，所述的同源分级光电转化电路设有特定分光比例的分光光学器件104，分光光学器件104之后设有多个接收光学系统，特定的分光比例与相应的接收光学系统的放大倍数及其匹配的放大电路的放大倍数构成当前通道的放大倍数。分光光学器件104可选比例分光镜、比例反射透射镜片和棱镜。可选的放大电路如图8中所示。
实施例4：
在实施例1的基础上，优选的方案如图5中，在透镜光学器件聚焦的焦点光斑范围内，设有多个光电探测单元，各个光电探测单元的放大倍数与匹配的放大电路的放大倍数构成当前通道的放大倍数。可选的放大电路如图8中所示。所述的光电探测单元包括雪崩光电二极管、光电池、光电二极管阵列、Si/PIN光电二极管、CCD传感器或CMOS传感器。
优选的方案中，各个光电探测单元的位置、光敏面大小和感光材料系数中的一个或多个参数的组合，构成当前光电探测单元的放大倍数。
实施例5：
在实施例1的基础上，优选的方案如图6中，单个光电探测单元中，采用电阻或电阻分压网络105拓扑结构实现电流或电压按比例转化，分压网络输出的放大倍数与匹配的放大电路的放大倍数共同构成分级放大效果。可选的放大电路如图8中所示。
实施例6：
在实施例1的基础上，优选的方案如图7中，单个光电探测单元中，采用镜像电流源或比例镜像电流源对光响应电流进行复制后再各自进行电压信号放大，镜像电流源或比例镜像电流源的放大报数与后续电路放大参数共同构成分级放大效果。
实施例7：
在上述实施例的基础上，优选的方案中，ADC数据采集电路采用单片集成多通道ADC器件的结构；
或者ADC数据采集电路采用多片单通道，并在各个单通道之间设置同步控制电路的结构。
优选的，通道的选择可以采用以下方案，以放大倍数从大到小排序，选择当前通道判断输出电压是否超出动态范围，若超出则选择转化系数与当前通道的转化系数相邻的通道，继续判断是否超出动态范围，直至搜索到位于动态范围之内的通道，选择该通道的数据进行后继的处理。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超高动态范围激光脉冲信号探测处理电路，包括光电转化电路、ADC数据采集电路，光电转化电路将光脉冲信号转换成模拟电脉冲信号，ADC数据采集电路将模拟电脉冲信号转换成数字电脉冲信号，其特征是：所述的光电转化电路为同源分级光电转化电路，同源分级光电转化电路设有n个通道，各个通道的放大倍数在通道间具有转化系数N；
ADC数据采集电路为与同源分级光电转化电路对应的n个通道，n个通道同步采集。
2.根据权利要求1所述的一种超高动态范围激光脉冲信号探测处理电路，其特征是：以通道的最小放大倍数为基数，转化系数N为正数。
3.根据权利要求1所述的一种超高动态范围激光脉冲信号探测处理电路，其特征是：还设有数据处理、存储和传输电路，ADC数据采集电路通过相应的多个通道将数字电脉冲信号发送至数据处理、存储和传输电路。
4.根据权利要求1~3任一项所述的一种超高动态范围激光脉冲信号探测处理电路，其特征是：所述的同源分级光电转化电路设有多个放大倍数不同的接收光学系统，各个接收光学系统的放大倍数与匹配的放大电路的放大倍数构成当前通道的放大倍数。
5.根据权利要求1~3任一项所述的一种超高动态范围激光脉冲信号探测处理电路，其特征是：所述的同源分级光电转化电路设有特定分光比例的分光光学器件，分光光学器件之后设有多个接收光学系统，特定的分光比例与相应的接收光学系统的放大倍数及其匹配的放大电路的放大倍数构成当前通道的放大倍数。
6.根据权利要求1~3任一项所述的一种超高动态范围激光脉冲信号探测处理电路，其特征是：在透镜光学器件聚焦的焦点光斑范围内，设有多个光电探测单元，各个光电探测单元的放大倍数与匹配的放大电路的放大倍数构成当前通道的放大倍数。
7.根据权利要求6所述的一种超高动态范围激光脉冲信号探测处理电路，其特征是：各个光电探测单元的位置、光敏面大小和感光材料系数中的一个或多个参数的组合，构成当前光电探测单元的放大倍数。
8.根据权利要求1~3、7任一项所述的一种超高动态范围激光脉冲信号探测处理电路，其特征是：单个光电探测单元中，采用电阻或电阻分压网络拓扑结构实现电流或电压按比例转化，分压网络输出的放大倍数与匹配的放大电路的放大倍数共同构成分级放大效果。
9.根据权利要求1~3、7任一项所述的一种超高动态范围激光脉冲信号探测处理电路，其特征是：单个光电探测单元中，采用镜像电流源或比例镜像电流源对光响应电流进行复制后再各自进行电压信号放大，镜像电流源或比例镜像电流源的放大报数与后续电路放大参数共同构成分级放大效果。
10.根据权利要求1~3、7任一项所述的一种超高动态范围激光脉冲信号探测处理电路，其特征是：ADC数据采集电路采用单片集成多通道ADC器件的结构；
或者ADC数据采集电路采用多片单通道，并在各个单通道之间设置同步控制电路的结构。
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