CN115877390A - 适用于激光相干测速测距系统的前放电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光雷达技术领域，公开了一种适用于激光相干测速测距系统的前放电路，包括用于利用跨阻放大电路对光电流信号进行一级放大的一级放大模块，用于利用低通滤波器去除在模拟信号数字化过程中高频信号折叠到低频段的混叠现象的低通滤波模块，用于利用通道选择电路控制测速和测距两种情况下的回波信号通带的通道选择模块，用于切换信号经过全通滤波器或高通滤波器的滤波器切换模块，用于利用差分放大电路将全通滤波器或高通滤波器输出的差分电压信号转为单端信号的二级放大模块。本发明在同一装置下实现了测量目标速度和距离两种信息，能够准确提取出目标回波信号，并进行放大，提高了信号提取和处理的灵活性和准确性。

Description

适用于激光相干测速测距系统的前放电路及其控制方法

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，尤其涉及一种适用于激光相干测速测距系统的前放电路及其控制方法。

背景技术

目前主流放大电路采用单一通带测量速度和距离两种信息。若单纯使用全通滤波器，在测距阶段无法去除能量极大的直流信号，经过前放后直流信号能量更大，掩盖了远距目标的微弱回波，对测距结果产生影响。若使用高通滤波器，在测速阶段，会对目标距离较远、微弱但是有用的速度多普勒频率进行抑制，造成速度测量误差。目前，激光雷达是以激光作为载波的雷达，是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物，与微波雷达相比，具有更高的分辨率。随着激光器及各种相关技术的发展和成熟，激光雷达得到了长足的发展，已经广泛应用于各种测量。

相干激光测距仪系统分光纤光学、望远镜和电子学三个部分。电子学部分包括激光器驱动和温控电路、探测器及前放电路、信息处理电路，其中探测器及前放电路实现光学桥接器输出的信号的光电转换并放大。当目标距离较远时，被测物体表面反射回来的激光回波信号极其微弱，在此系统中，回波能量仅为pW量级，很容易被淹没在杂波中，因此该前放电路要保证放大倍数的同时去除干扰信号，是整个系统接收部分的关键电路。

在激光相干测速测距系统中，为在同一个系统中实现测速与测距两种功能，首先使用固定频率的信号对目标速度进行测量，然后根据速度方向产生正线性连续调频信号或负线性连续调频信号，用于测量目标的距离信息。

在测速阶段，由于使用的点频信号，目标回波中不会存在其他明显干扰信号，在放大电路中通常使用全通滤波器，不衰减任何频率的信号。在测距阶段，由于光学系统中存在大量环形器、镜片、镀膜等会产生后向光路反射的器件，且这些器件距离本身较近，会在探测过程中产生一直存在的能量远高于目标回波能量的直流信号，当能量达到一定程度时，会使接收支路的中频信号饱和，从何掩盖了远距目标的微弱回波信号，造成目标丢失。因此，现有放大电路中通常使用高通滤波器用于去除光学系统自身光路反射等干扰信号。

所以，放大电路需要能够同时具有处理测速、测距回波的不同特征小信号，若放大电路中间通道单纯选择全通滤波器，在测距阶段不能去除能量为uW量级的直流信号，无法获得准确的回波信号，对距离测量产生影响。而若放大电路中间通带选择高通滤波器，该通带在会在目标距离较远、能量强度不够时对微弱但是有用的速度多普勒频率进行抑制，造成速度测量误差。因此，电路中用单一通带测量速度和距离两种信息，使用现有技术中的放大电路必会有一种信息存在测量误差。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

现有激光相干测速测距系统的放大电路中，采用单一通带测量速度和距离两种信息，会导致一种信息存在测量误差。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种适用于激光相干测速测距系统的前放电路及其控制方法。

本发明是这样实现的，一种适用于激光相干测速测距系统的前放电路包括：

一级放大模块，用于利用跨阻放大电路对光电流信号进行一级放大；

低通滤波模块，用于利用低通滤波器去除在模拟信号数字化过程中高频信号折叠到低频段的混叠现象；

通道选择模块，用于利用通道选择电路控制测速和测距两种情况下的回波信号通带；

滤波器切换模块，用于根据通道选择电路的控制信号切换信号经过全通滤波器或高通滤波器；

二级放大模块，用于利用差分放大电路将全通滤波器或高通滤波器输出的差分电压信号转为单端信号。

进一步，所述跨阻放大电路包括一级前置放大器与一级主放大器；

所述一级前置放大器用于将转换后的电流信号放大，将信号转变为电压信号；

所述一级主放大器用于经过将电压信号经过可变增益主放增加信号幅度。

进一步，所述通道选择电路包括信号输入端、输出端以及信号输入端连接的逻辑开关电路。

进一步，所述高通滤波器包括SLFH系列叠层片式高通滤波器。

进一步，所述低通滤波器包括ZL2012PXX系列工业级叠层片式低通滤波器。

进一步，所述跨阻放大器包括型号为AD80XX系列芯片。

本发明的另一目的在于提供一种适用于激光相干测速测距系统的前放电路的控制方法，所述适用于激光相干测速测距系统的前放电路的控制方法包括：

步骤一，激光回波信号反射回来后通过接收光学系统接收，转换为电流信号后进入一级放大电路，跨阻前放将转换后的电流信号放大，此时信号变为电压信号，然后经过可变增益主放增加信号幅度；

步骤二，经过跨阻放大器的信号进入低通滤波器，滤除产生频率混叠现象的频率成分；

步骤三，利用通道选择电路控制测速和测距两种情况下的回波信号通带，在测速时使用全通滤波器，在测距时使用高通滤波器；

步骤四，经过全通滤波器或低通滤波器的输出的差分电压信号接至差分接收放大器的输入端，并在输出得到放大后的单端信号，为第二级放大。

进一步，所述步骤二中的通道选择电路通过逻辑开关电路切换信号SW1和SW2的控制下，被选通信号经过高通滤波器或全通滤波器后由输出端输出。

进一步，在测速模式下，逻辑开关电路切换信号SW2为高电平H，输入信号input2进入IC的PIN2被设定连接到PIN2B，由PIN2B通过电容C3，经过全通滤波器后输出；与此同时，所述的切换信号SW1为低电平L，输入信号input1进入IC的PIN1且被设定连接到PIN1A，因PIN1A通过第三电容C2接地，故输入信号input1对的短路。

进一步，在测距模式下，逻辑开关电路切换信号SW2为低电平L、SW1为高电平H，输入信号input2对的短路；输入信号input1由pin1B通过第二电容C1，经过高通滤波器后输出。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

本发明在二级放大电路之间加入通道选择电路，由主控系统(外部电路)给出通带选择信号，用于控制回波信号的通带为全通滤波或高通滤波，在测速模式下使用全通滤波器，则不会衰减任何有用信号，提高了速度测量精度。

测距模式下使用高通滤波器，有效地去除了由于光学系统自身反射产生的干扰信号，防止接收支路的中频信号饱和。本发明在同一装置下实现了测量目标速度和距离两种信息，通过该前放电路能够准确提取出目标回波信号，并进行放大，提高了信号提取和处理的灵活性和准确性。

第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

本发明在同一装置下实现了测量目标速度和距离两种信息，通过该前放电路能够准确提取出目标速度和距离的回波信号，并有针对性地进行放大，提高了信号提取和处理的灵活性和准确性。

第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：

本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：

本发明的技术方案转化后，可在同一装置下实现了测量目标速度和距离两种信息，相比于常用的放大电路，提高了后续信号提取和处理的灵活性和准确性，有效降低了信号处理难度与芯片成本。可使用在远距离目标探测、障碍回避、指挥引导等大量领域。

附图说明

图1是本发明实施例提供的适用于激光相干测速测距系统的前放电路的结构原理图；

图2是本发明实施例提供的跨阻放大电路的原理框图；

图3是本发明实施例提供的用于激光相干测速测距系统的前放电路的连接原理图；

图4是本发明实施例提供的通道选择电路；

图5是本发明实施例提供的经过全通滤波器后测速信号频谱图；

图6是本发明实施例提供的测距原始回波信号频谱图；

图7是本发明实施例提供的经过高通滤波器后测距信号频谱图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

如图1所示，本发明实施例提供的适用于激光相干测速测距系统的前放电路包括：

一级放大模块，用于利用跨阻放大电路对光电流信号进行一级放大；

低通滤波模块，用于利用低通滤波器去除在模拟信号数字化过程中高频信号折叠到低频段的混叠现象；

通道选择模块，用于利用通道选择电路控制测速和测距两种情况下的回波信号通带；

滤波器切换模块，用于根据通道选择电路的控制信号切换信号经过全通滤波器或高通滤波器；

二级放大模块，用于利用差分放大电路将全通滤波器或高通滤波器输出的差分电压信号转为单端信号。

如图3所示，为本发明实施例提供的用于激光相干测速测距系统的前放电路的连接原理图。收光学系统收到的回波信号经过雪崩光电二极管转换为电信号，进入跨阻放大电路进行一级放大。信号经过一级放大后进入低通滤波器去除混叠现象。根据当前的测量模式，通道选择电路控制信号经过全通滤波器或高通滤波器。测速阶段使用全通滤波器，不会衰减微弱目标的回波信号。在测距阶段使用高通滤波器，能有效去除能量为uW量级的直流信号，得到准确回波。经过通道选择电路的信号使用差分转单端放大器，转为单端信号，至此完成二级放大。

回波光经过平衡探测器检测后，平衡探测仪会输出一个含有回波光有效信息的微弱光电流信号，对其进行放大。放大电路使用两级放大实现，第一级为跨阻放大电路，第二级为差分放大电路。在两级放大电路之间连接一个低通滤波器。在低通滤波器后加入通道选择电路。通道选择电路用于控制回波信号通带，在测速的情况下，使用全通滤波器，在测距的情况下，使用高通滤波器。

步骤一：激光回波信号反射回来后通过接收光学系统接收，尽可能最大化地被雪崩光电二极管接收器收集。转换为电流信号后进入一级放大电路，跨阻前放将转换后的电流信号放大，此时信号变为电压信号，然后经过可变增益主放增加信号幅度。如图2所示。

所述跨阻放大器包括型号为AD80XX系列芯片，AD80XX系列是宽带宽、单电源跨阻放大器，针对光纤接收器电路应用进行了优化。该系列芯片具有低功耗、低噪声、宽带宽的优点，其内部集成了运算放大器和反馈器件，因此无需外加额外的分立元件，电路控制简单。

步骤二：经过跨阻放大器的信号进入低通滤波器，滤除产生频率混叠现象的频率成分，防止频率混叠现象。

所述的，在本系统中，模拟数字转换器(信号经过前放电路后使用模拟数字转换器(ADC)进行采样，在本系统中使用的ADC采样时钟为100Mhz。)的ADC采样时钟为100Mhz，即f_s＝100MHz，低通滤波器的频率应该满足f_s≥2f_c,本发明中低通滤波器的截止频率f_c＝50MHz。

所述的低通滤波器包括ZL2012PXX系列工业级叠层片式低通滤波器。其层叠结构、体积小，适合高密度贴装，陡峭的衰减特性有效抑制噪声。

步骤三：在低通滤波器后加入通道选择电路，该电路用于控制测速和测距两种情况下的回波信号通带，在测速时使用全通滤波器，在测距时使用高通滤波器。本实施例通道选择电路如图五所示，包括信号输入端、输出端以及信号输入端连接的逻辑开关电路。在所述的逻辑开关电路切换信号SW1和SW2的控制下，被选通信号经过高通滤波器或全通滤波器后由输出端输出。

所述的，在测速模式下，切换信号SW2为高电平H，输入信号input2进入IC的PIN2被设定连接到PIN2B，由PIN2B通过电容C3，经过全通滤波器后输出；与此同时，所述的切换信号SW1为低电平L，输入信号input1进入IC的PIN1且被设定连接到PIN1A，因PIN1A通过第三电容C2接地，故输入信号input1对的短路。

同理，在测距模式下，所述的切换信号SW2为低电平L、SW1为高电平H，输入信号input2对的短路；输入信号input1由pin1B通过第二电容C1，经过高通滤波器后输出。

由此实现在逻辑开关电路切换信号的控制下，信号经过全通滤波器或高通滤波器。当系统处于测速阶段，信号接入全通滤波器。当系统处于测距阶段，信号接入高通滤波器。

所述的高通滤波器包括SLFH系列叠层片式高通滤波器，具有可定制中心频率、抑制等特性。

步骤四：经过全通或低通滤波的输出信号是差分电压信号，需将其转换为单端信号。将输出信号接至差分接收放大器的输入端，并在输出得到放大后的单端信号，为第二级放大。

所述差分放大器包括信号为AD81XX系列的芯片，AD8129/AD8130均为差分至单端放大器，在高频时具有极高的共模抑制比(CMRR)，采用单电源供电，具有+5V至±12V的宽电压范围，支持宽共模和差模电压范围，同时保持信号完整性。

二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。

本发明用在某天基型号应用任务中，为导航系统提供目标的距离及速度，整个任务过程中产品持续有效地提供了目标的相应信息，保障了任务的成功。

三、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合实验过程的数据、图表等进行描述。

在测速模式下，对于探测距离较远、速度较低的微弱目标，应用本实施例后，使用全通滤波器，不会衰减任何有用信息，图4为经过全通滤波器的远距离慢速目标回波，做1024点快速傅里叶变换后不会对有用信号造成衰减。

在测距模式下，由于光学系统自生光路反射会一直存在一个能量远高于回波目标的直流信号，造成目标丢失，如图5所示。应用本实施例后，由于在放大电路中增加高通滤波器，消除了低频的直流信号，得到目标的准确回波，如图6。

在远距离处放置一个低速移动的目标。首先使用目前常用的前放电路进行实验，通带为全通滤波器。能够有效放大速度回波信号测出目标速度，但在测距时直流信号将真实回波淹没，产生距离测量错误。再使用通带为高通滤波器的放大电路进行测试。由于目标距离较远、能量强度不够，对微弱但是有用的速度多普勒频率进行抑制，该放大电路放大后的信号进行解算后存在速度测量误差。最后使用本实施例。在测速时将能准确得到速度回波并进行有效放大，得到了速度的多普勒频移从而计算出速度。测距时消除了直流信号后进行放大，获得真实距离回波，通过与速度解耦合即可得到距离信息。通过实验验证，本发明所提出的一种适用于激光相干测速测距系统的前放电路设计，在测速模式下使用全通滤波器，不会衰减任何有用信号，提高了速度测量精度。测距模式下使用高通滤波器，有效地去除了由于光学系统自身反射产生的干扰信号，防止接收支路的中频信号饱和。在同一装置下实现了测量目标速度和距离两种信息，通过该前放电路能够准确提取出目标回波信号，并进行放大，提高了信号提取和处理的灵活性和准确性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所做的做的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于激光相干测速测距系统的前放电路，其特征在于，所述适用于激光相干测速测距系统的前放电路包括：

一级放大模块，用于利用跨阻放大电路对光电流信号进行一级放大；

低通滤波模块，用于利用低通滤波器去除在模拟信号数字化过程中高频信号折叠到低频段的混叠现象；

通道选择模块，用于利用通道选择电路控制测速和测距两种情况下的回波信号通带；

滤波器切换模块，用于根据通道选择电路的控制信号切换信号经过全通滤波器或高通滤波器；

二级放大模块，用于利用差分放大电路将全通滤波器或高通滤波器输出的差分电压信号转为单端信号。

2.如权利要求1所述的适用于激光相干测速测距系统的前放电路，其特征在于，所述跨阻放大电路包括一级前置放大器与一级主放大器；

所述一级前置放大器用于将转换后的电流信号放大，将信号转变为电压信号；

所述一级主放大器用于经过将电压信号经过可变增益主放增加信号幅度。

3.如权利要求1所述的适用于激光相干测速测距系统的前放电路，其特征在于，所述通道选择电路包括信号输入端、输出端以及信号输入端连接的逻辑开关电路。

4.如权利要求1所述的适用于激光相干测速测距系统的前放电路，其特征在于，所述高通滤波器包括SLFH系列叠层片式高通滤波器。

5.如权利要求1所述的适用于激光相干测速测距系统的前放电路，其特征在于，所述低通滤波器包括ZL2012PXX系列工业级叠层片式低通滤波器。

6.如权利要求1所述的适用于激光相干测速测距系统的前放电路，其特征在于，所述跨阻放大器包括型号为AD80XX系列芯片。

7.一种用于实施权利要求1～6任意一项所述的适用于激光相干测速测距系统的前放电路的控制方法，其特征在于，所述适用于激光相干测速测距系统的前放电路的控制方法包括：

步骤一，激光回波信号反射回来后通过接收光学系统接收，转换为电流信号后进入一级放大电路，跨阻前放将转换后的电流信号放大，此时信号变为电压信号，然后经过可变增益主放增加信号幅度；

步骤二，经过跨阻放大器的信号进入低通滤波器，滤除产生频率混叠现象的频率成分；

步骤三，利用通道选择电路控制测速和测距两种情况下的回波信号通带，在测速时使用全通滤波器，在测距时使用高通滤波器；

步骤四，经过全通滤波器或低通滤波器的输出的差分电压信号接至差分接收放大器的输入端，并在输出得到放大后的单端信号，为第二级放大。

8.如权利要求7所述的适用于激光相干测速测距系统的前放电路的控制方法，其特征在于，所述步骤二中的通道选择电路通过逻辑开关电路切换信号SW1和SW2的控制下，被选通信号经过高通滤波器或全通滤波器后由输出端输出。

9.如权利要求8所述的适用于激光相干测速测距系统的前放电路的控制方法，其特征在于，在测速模式下，逻辑开关电路切换信号SW2为高电平H，输入信号input2进入IC的PIN2被设定连接到PIN2B，由PIN2B通过电容C3，经过全通滤波器后输出；与此同时，所述的切换信号SW1为低电平L，输入信号input1进入IC的PIN1且被设定连接到PIN1A，因PIN1A通过第三电容C2接地，故输入信号input1对的短路。

10.如权利要求8所述的适用于激光相干测速测距系统的前放电路的控制方法，其特征在于，在测距模式下，逻辑开关电路切换信号SW2为低电平L、SW1为高电平H，输入信号input2对的短路；输入信号input1由pin1B通过第二电容C1，经过高通滤波器后输出。

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