CN209656884U - 基于回波先验特征的自动增益控制电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及信号放大领域，为提前获取激光测距回波强度信息，根据不同幅值的回波设置不同的放大倍数，使得回波信号经后级放大后的输出尽可能一致，有利于提升测距的精度。为此，本实用新型采取的技术方案是，基于回波先验特征的自动增益控制电路，由跨阻放大模块、为反相放大模块、高速峰值保持及自动放电模块、精确时间延迟模块和自动增益模块构成，其中：激光回波信号接收后，首先依次经过跨阻放大模块和反相放大模块，转换为电压脉冲信号并分成两路：第一路电压脉冲信号和第二路电压脉冲信号。本实用新型主要应用于信号放大场合。

Description

基于回波先验特征的自动增益控制电路

技术领域

本实用新型涉及信号放大领域，尤其是涉及激光测距回波信号放大领域。具体讲,涉及基于回波先验特征的自动增益控制电路。

背景技术

从激光雷达实用新型至今，国内外大量公司和科研单位不断对其进行深入研究，各类型号的激光雷达在军用领域和民用领域广泛应用，其中最为突出的是民用领域无人驾驶汽车方面的应用。随着无人驾驶技术的不断发展成熟，其对激光雷达测距量程、角度分辨率、测距精度等指标也不断提高。为了满足无人驾驶汽车应用的要求，目前一般要求其测距范围不少于1～100m。

在激光测距过程中，激光器发射的激光脉冲峰值是恒定的，光电探测器接收到的反射回波的峰值功率主要与被测物的反射系数以及被测物距离有关，对相同距离但反射系数相差较大的被测物，其激光回波信号功率会有较大差别。同时，对反射系数相同的被测物，激光回波信号功率与探测距离的平方成反比，因此远距离回波功率和近距离回波功率将会有很大差距，例如当测距范围为1～100m时，对于反射系数相同的被测物，1m处激光回波功率是100m 处激光回波功率的10000倍。

目前产品中，后级放大电路几乎都为固定增益的放大电路和一个限幅放大电路的组合电路，由于其增益是固定的，对不同幅值信号的放大倍数相同，因此不同距离或不同反射系数被测物的激光回波信号经放大后幅值仍然有很大的差距；同时，有少部分产品的后级放大电路采用闭环的自动增益控制电路，而一般的闭环自动增益控制电路，需要检测输出信号的平均功率，需要一定的响应时间，因此无法实现对回波信号的实时控制，当被测物反射系数突然变化，或者被测物距离突然变化时，相邻的放大后的回波信号幅值仍然会有较大差异。

而在对回波信号时刻进行鉴别时，较为简单的方法是固定阈值检测法，即认为经放大后的回波信号达到预设阈值电压的时刻是激光回波信号的到达时刻。但是不同幅值回波信号到达阈值时刻不同，进而影响测距精度，如图1所示，其中1a为发射信号，2a为假设的幅值于发射信号幅值相同的回波，3a为实际回波，假设出射时刻为t₀，其实际返回时刻为t₁，测得的返回时刻为t₂，测量时间误差Δt，造成的测距误差为Δl＝c×Δt/2，进而降低测距精度。除此之外，对固定增益的放大电路，相同反射系数的被测物，当满足100m处激光回波信号经放大后的幅值满足时刻鉴别要求时，1m处激光回波放大后幅值过大，可能出现饱和失真，甚至会损坏后级电路。

为了避免后级电路受到损坏，提升激光雷达测距精度，进一步提升激光雷达的性能，设计一种能够根据回波信号的特征动态调整增益的放大电路十分必要。

发明内容

为克服现有技术的不足，本实用新型旨在提出一种基于回波先验特征的自动增益控制电路。该种电路能够提前获取激光测距回波强度信息，根据不同幅值的回波设置不同的放大倍数，使得回波信号经后级放大后的输出尽可能一致，有利于提升测距的精度。为此，本实用新型采取的技术方案是，基于回波先验特征的自动增益控制电路，由跨阻放大模块、为反相放大模块、高速峰值保持及自动放电模块、精确时间延迟模块和自动增益模块构成，其中：

激光回波信号接收后，首先依次经过跨阻放大模块和反相放大模块，转换为电压脉冲信号并分成两路：第一路电压脉冲信号和第二路电压脉冲信号；

进一步地，第一路电压脉冲信号进入高速峰值保持及自动放电模块，第二路电压脉冲信号进入精确时间延迟模块；

进一步地，第一路电压脉冲信号进入高速峰值保持及自动放电模块后，高速峰值保持及自动放电模块采集到电压脉冲信号的幅值并保持；

进一步地，高速峰值保持及自动放电模块保持的电压脉冲信号的电压值作为自动增益模块的增益控制信号，调整自动增益控制模块的增益数值；

进一步地，高速峰值保持及自动放电模块的峰值保持时间应大于自动增益模块的增益调整时间，以确保自动增益模块在高速峰值保持及自动放电模块放电之前完成增益调整；

进一步地，第二路电压脉冲信号通过精确时间延迟模块，作用是保证电压脉冲信号在自动增益模块完成增益调整之后，再输入自动增益模块的输入端；

进一步地，第二路电压脉冲信号进入自动增益模块，实现不同增益值的放大后，供后级处理；

进一步地，精确时间延迟模块的延迟时间应大于自动增益模块的增益调整时间，以确保放大后的激光回波信号进入自动增益模块时，本次增益调整已经完成；

进一步地，精确时间延迟模块的延迟时间应小于高速峰值保持及自动放电模块的保持时间，以确保放大后的激光回波信号进入自动增益模块时，下一次的增益调整还未进行。

跨阻放大模块采用高速、高精度跨阻放大电路，设计其带宽、放大倍数满足信号不失真要求。

反相放大模块可采用高速、高精度运算反相放大电路，设计其带宽、放大倍数满足信号不失真要求。

高速峰值保持及自动放电模块基于单稳态电路、峰值保持电路设计高速峰值保持及自动放电电路，设其保持时间为T₁；

精确时间延迟模块采用专用延迟线芯片，设其延迟时间为T₂，则应满足T₁>T₂；

自动增益模块可基于专用的自动增益控制芯片设计自动增益控制电路，设其增益调整时间为T₃，则应满足T₁>T₂>T₃。

本发明的特点及有益效果是：

1)预先获得经过两次放大后的激光回波信号峰值，并根据峰值的幅度设置后级放大电路的增益，使幅度较大的信号获得较小的放大倍数，避免因近距离回波信号经放大后幅值过大损坏后级电路。

2)被测物距离或反射系数突变导致回波信号强度相差过大时，根据回波信号幅值动态地调整增益，使放大后的激光回波信号幅值趋于相同，进而提升测距精度。

附图说明：

图1时刻鉴别误差示意图

图1中，1a为发射信号，2a为假设的幅值于发射信号幅值相同的回波，3a为实际回波。

图2基于回波先验特征的自动增益控制电路

图2中，1为跨阻放大模块，2为反相放大模块，3为高速峰值保持模块，4为精确时间延迟模块，5为自动增益模块。

具体实施方式

本实用新型提出一种基于回波先验特征的自动增益控制电路，包括：为跨阻放大模块1，为反相放大模块2，为高速峰值保持及自动放电模块3，为精确时间延迟模块4，为自动增益模块5。

一种基于回波先验特征的自动增益控制电路，见图2，激光回波信号接收后，首先依次经过跨阻放大模块1和反相放大模块2，转换为电压脉冲信号。

进一步地，经过跨阻放大模块1和反相放大模块2，转换成的电压脉冲信号幅值还不满足时刻鉴别的要求，因此需要再次放大。

进一步地，经过跨阻放大模块1和反相放大模块2，转换成的电压脉冲信号分为成两路，分别为第一路电压脉冲信号和第二路电压脉冲信号。

进一步地，第一路电压脉冲信号进入高速峰值保持及自动放电模块3，第二路电压脉冲信号进入精确时间延迟模块4。

进一步地，第一路电压脉冲信号进入高速峰值保持及自动放电模块3后，高速峰值保持及自动放电模块3采集到电压脉冲信号的幅值并保持。

进一步地，高速峰值保持及自动放电模块3保持的电压脉冲信号的电压值作为自动增益模块5的增益控制信号，调整自动增益控制模块5的增益数值。

进一步地，高速峰值保持及自动放电模块3的峰值保持时间应大于自动增益模块5的增益调整时间，以确保自动增益模块5在高速峰值保持及自动放电模块3放电之前完成增益调整。

进一步地，第二路电压脉冲信号通过精确时间延迟模块4，作用是保证电压脉冲信号在自动增益模块5完成增益调整之后，再输入自动增益模块5的输入端。

进一步地，第二路电压脉冲信号进入自动增益模块5，实现不同增益值的放大后，供后级的时刻鉴别模块处理。

进一步地，精确时间延迟模块4的延迟时间应大于自动增益模块5的增益调整时间，以确保放大后的激光回波信号进入自动增益模块5时，本次增益调整已经完成。

进一步地，精确时间延迟模块4的延迟时间应小于高速峰值保持及自动放电模块3的保持时间，以确保放大后的激光回波信号进入自动增益模块5时，下一次的增益调整还未进行。

跨阻放大模块1可采用高速、高精度跨阻放大电路，设计其带宽、放大倍数满足信号不失真要求。

反相放大模块2可采用高速、高精度运算反相放大电路，设计其带宽、放大倍数满足信号不失真要求。

高速峰值保持及自动放电模块3可基于单稳态电路、峰值保持电路设计高速峰值保持及自动放电电路，设其保持时间为T₁。

精确时间延迟模块4可采用专用延迟线芯片，设其延迟时间为T₂，则应满足T₁>T₂。

自动增益模块可基于专用的自动增益控制芯片设计自动增益控制电路，设其增益调整时间为T₃，则应满足T₁>T₂>T₃。

下面结合附图和具体实施方式进一步详细说明本实用新型。

本实用新型提出的一种基于回波先验特征的自动增益控制电路，包括：为跨阻放大模块1，为反相放大模块2，为高速峰值保持及自动放电模块3，为精确时间延迟模块4，为自动增益模块5。亚德诺半导体公司型号为OPA847的高速高精度运算放大器设计跨阻放大电路，合理选择电阻、电容参数，使得跨阻放大倍数为1000倍。

反相放大模块2可采用高速、高精度运算反相放大电路，设计其带宽、放大倍数满足信号不失真要求。可基于AD公司型号为OPA847的高速高精度运算放大器设计反相放大电路，合理选择电阻、电容参数，使得二级放大倍数为-1倍。

高速峰值保持及自动放电模块3可基于单稳态电路、峰值保持电路设计高速峰值保持及自动放电电路，设其保持时间为T₁。可基于OPA860设计跨导型峰值保持电路并基于74LS123 单稳态触发器设计保持时间控制电路，令其峰值保持时间为T₁＝1us。

精确时间延迟模块4可采用专用延迟线芯片，设其延迟时间为T₂，则应满足T₁>T₂。可基于美信半导体公司型号为DS1135系列的高精度延迟线芯片设计高精度延迟线，选取DS1135Z-30+，令T₂＝30ns。

自动增益模块可基于专用的自动增益控制芯片设计自动增益控制电路，设其增益调整时间为T₃，则应满足T₁>T₃>T₂。基于自动增益控制器芯片ADL5330设计自动增益控制电路，其增益调整时间一般为T₃＝20ns，增益动态范围为60dB。

Claims (2)

1.一种基于回波先验特征的自动增益控制电路，其特征是，由跨阻放大模块、为反相放大模块、高速峰值保持及自动放电模块、精确时间延迟模块和自动增益模块构成，其中：

激光回波信号接收后，首先依次经过跨阻放大模块和反相放大模块，转换为电压脉冲信号并分成两路：第一路电压脉冲信号和第二路电压脉冲信号；

进一步地，第一路电压脉冲信号进入高速峰值保持及自动放电模块，第二路电压脉冲信号进入精确时间延迟模块；

进一步地，第一路电压脉冲信号进入高速峰值保持及自动放电模块后，高速峰值保持及自动放电模块采集到电压脉冲信号的幅值并保持；

进一步地，高速峰值保持及自动放电模块保持的电压脉冲信号的电压值作为自动增益模块的增益控制信号，调整自动增益控制模块的增益数值；

进一步地，高速峰值保持及自动放电模块的峰值保持时间应大于自动增益模块的增益调整时间，以确保自动增益模块在高速峰值保持及自动放电模块放电之前完成增益调整；

进一步地，第二路电压脉冲信号通过精确时间延迟模块，作用是保证电压脉冲信号在自动增益模块完成增益调整之后，再输入自动增益模块的输入端；

进一步地，第二路电压脉冲信号进入自动增益模块，实现不同增益值的放大后，供后级处理；

进一步地，精确时间延迟模块的延迟时间应大于自动增益模块的增益调整时间，以确保放大后的激光回波信号进入自动增益模块时，本次增益调整已经完成；

进一步地，精确时间延迟模块的延迟时间应小于高速峰值保持及自动放电模块的保持时间，以确保放大后的激光回波信号进入自动增益模块时，下一次的增益调整还未进行。

2.如权利要求1所述的基于回波先验特征的自动增益控制电路，其特征是，跨阻放大模块设计其带宽、放大倍数满足信号不失真要求；

高速峰值保持及自动放电模块基于单稳态电路、峰值保持电路设计高速峰值保持及自动放电电路，设其保持时间为T₁；

精确时间延迟模块采用专用延迟线芯片，设其延迟时间为T₂，则应满足T₁>T₂；

自动增益模块可基于专用的自动增益控制芯片设计自动增益控制电路，设其增益调整时间为T₃，则应满足T₁>T₂>T₃。