一種擴展脈沖激光近程動態增益范圍電路的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及脈沖激光測量技術領域，尤其涉及一種擴展脈沖激光近程動態增益范圍電路。
【背景技術】
[0002]車載激光雷達通過測量激光脈沖的飛行時間來檢測目標相對距離，在近程(幾十米范圍)測量中，其單次的測量精度達到米級(孫春生et al.2006,周強et al.2012)，然而作為一種可以快速獲取目標準確距離的有效手段，這個精度依舊不夠，造成精度較差的主要原因是由于接收機電子系統的動態范圍的限制。車載激光雷達大都測量車輛前方非合作目標，在近程測距情況下，由于目標的距離、發射特性等均處于大動態范圍內變動，使得激光脈沖的回波功率發生劇烈變化。而為了保證高精度的距離測量，回波接收電路必須嚴格工作在線性區，避免探測到的回波脈沖飽和失真；同時，其輸出的信號脈沖幅度需要穩定在一定的范圍內，從而減小時刻鑒別帶來的漂移誤差。llikka Kaisto (Kostamovaara etal.1983)利用PIN衰減網絡控制將回波的動態范圍控制在恒比定時電路可以處理的信號幅值內，其實現了從1.5m到1m范圍內，精度為Imm的距離測量。Ari Kilpela(Kilpelaet al.2001)利用Gilbert網絡將回波的動態范圍控制在1:10，實現了 0.5-34.5m測量范圍內，2mm的測量誤差。芬蘭Oulu大學的Jan Nissinen (Nissinen et al.2004)提出兩種利用前沿觸發結合誤差補償的技術實現了對動態范圍為1:1000的回波信號的處理，誤差為lOOps，本篇文章主要給出了仿真的結果，并沒有給出具體的實驗結果。2009年，JanNissinen (Nissinen et al.2009)利用前沿雙閾值觸發和斜率補償實現了 1:10000的大動態范圍集成接收芯片。因此，在激光脈沖回波功率大幅度變化的情況下，實現車載激光雷達高精度的測距需要在回波接收電路中引入AGC (自動增益控制)電路(吳文印1984，陳希武et al.1996，李金鐸1997，侯麗娟et al.2002,胡春生2005，張堅2005，郭穎et al.2010,李鳴et al.2011,朱啟2011)，或STC(敏感時間控制)電路(項式浩2003，劉嘉明2012)，或者使用芯片其他的技術實現，然而關于這方面的研宄目前并不是很成熟。周強等(周強et al.2012)提出一種利用CPLD實現的近程增益控制的方法，測量范圍為50-500米，但是精度較差，而且此方法中沒有給出小于50米以內近程的實現方式；胡春生(胡春生2005)提出一種利用RC網絡充放電的方式實現控制曲線的方法，實現了 30米以內增益控制，由于RC網絡充放電的性能的特點，增益曲線的靈活性較差。Zhu (Zhuet al.2012)提出一種在前置TIA放大器和后處理放大器中都引入AGC的方法，實現了5-500米范圍內3cm的誤差，然而此種方法由于需要進行峰值采樣，所以測量過程都是需要至少兩次脈沖發射的過程，其中一次用來采集峰值，根據峰值進行增益調整，整個測量過程耗時較多。
【發明內容】
[0003]本發明目的就是為了彌補已有技術的缺陷，提供一種擴展脈沖激光近程動態增益范圍電路。
[0004]本發明是通過以下技術方案實現的:
一種擴展脈沖激光近程動態增益范圍電路，包括有處理機、發射機和接收機，所述的處理機包括有數據傳輸電路、測量控制電路和三個計時電路，所述的數據傳輸電路和測量控制電路之間通過FPGA進行數據傳輸，所述的發射機包括有驅動電源、激光二極管、PIN探測器和光發送機，所述的接收機包括有光接收機、APD探測器、三級放大電路和三個時刻鑒別電路，所述的測量控制電路產生一束窄脈沖信號傳送給所述的驅動電源，驅動電源驅動激光二極管產生激光脈沖信號并分別傳送給PIN探測器和光發送機，PIN探測器將探測到的激光脈沖信號分別傳送給所述的三個計時電路中作為三個計時電路的起始信號，光發送機將激光脈沖信號轉變為激光回波信號并依次發送給所述的光接收機和APD探測器，將激光回波信號轉變為微弱電流信號，APD探測器將微弱電流信號傳送給三級放大電路，微弱電流信號經過第一級放大后變成電壓信號，電壓信號再依次經過第二級放大和第三級放大后電壓信號分別進行10倍的電壓放大，經過第一級放大后的電壓信號、第二級放大后的電壓信號和第三級放大后的電壓信號分別對應的輸入至所述的三個時刻鑒別電路中，經過三個時刻鑒別電路產生的三個信號分別對應的輸入處理機中的三個計時電路中作為三個計時電路的終止信號，測量控制電路對三個計時電路的激光脈沖信號進行處理，得出激光脈沖的飛行時間，根據飛行時間計算出前方障礙物的距離信息。
[0005]所述的三個計時電路是由三個相同的時間間隔測量芯片TDC-GP21組成的三路計時電路。
[0006]所述的三級放大電路的第一級放大是采用跨阻放大器0PA657將APD探測器輸出的微弱電流信號轉換成電壓信號并放大，第二級放大和第三級放大均采用電流反饋型放大器AD8009組成的兩級正比例放大。
[0007]所述的時刻鑒別電路是由兩個高速比較器MAX999和門電路SN74AHCT1G08組成的，將經過每一級放大后的信號分別經過信號衰減電路和脈沖延遲電路后分別送至其中一個高速比較器MAX999的反向輸入端和正向輸入端，當正向輸入端的模擬電壓信號大于反向輸入端的參考電壓信號時，高速比較器MAX999輸出高電平信號；反之，高速比較器MAX999輸出低電平信號；同時，將經每一級放大電路放大后的信號和固定閥值分別送至另一個高速比較器MAX999的正向輸入端和反向輸入端進行比較，若輸入信號的電壓幅值大于反相輸入端的固定閥值時，高速比較器MAX999輸出高電平信號；若正向輸入端的輸入信號幅值小于反向輸入端的固定閥值，高速比較器將輸出低電平信號；最后將兩個高速比較器MAX999的輸出信號分別接入與門電路SN74AHCT1G08的A、B輸入端，只有當A和B的輸入信號均為高時，與門輸出才有效。
[0008]本發明的優點是:本發明采用了一種針對回波信號在放大過程的分級處理方法，在回波信號經三級放大后出現飽和的情況下，依然可以通過采用第二級或第一級放大后沒飽和的信號作為脈沖激光飛行時間測量的鑒別信號，從而在保證激光雷達系統的測距精度和最大測量距離不變的情況下，使得激光雷達系統可以探測較近物體的距離，有效地擴展了激光雷達測距的動態增益范圍。
【附圖說明】
[0009]圖1為本發明的原理框圖。
[0010]圖2為三級放大電路圖。
[0011]圖3為時刻鑒別電路圖。
【具體實施方式】
[0012]如圖1所示，一種擴展脈沖激光近程動態增益范圍電路，包括有處理機1、發射機2和接收機3，所述的處理機I包括有數據傳輸電路4、測量控制電路5和三個計時電路6，所述的數據傳輸電路4和測量控制電路5之間通過FPGA進行數據傳輸，所述的發射機2包括有驅動電源7、激光二極管8、PIN探測器9和光發送機10，所述的接收機3包括有光接收機11、APD探測器12、三級放大電路13和三個時刻鑒別電路14，所述的測量控制電路5產生一束窄脈沖信號傳送給所述的驅動電源7，驅動電源7驅動激光二極管8產生激光脈沖信號并分別傳送給PIN探測器9和光發送機10，PIN探測器9將探測到的激光脈沖信號分別傳送給所述的三個計時電路6中作為三個計時電路6的起始信號，光發送機10將激光脈沖信號轉變為激光