CN105467377A - 一种基于自混频探测器的三维激光成像雷达读出电路 - Google Patents

一种基于自混频探测器的三维激光成像雷达读出电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于自混频探测器的三维激光成像雷达读出电路,包括自混频探测器、单刀多掷开关、隔直电容、跨阻放大器、可变增益放大器、模数转换器和时序控制电路；本振信号通过单刀多掷开关施加在探测器输入端，同时对激光器进行调制，探测器接收激光回波信号，从而使本振信号和激光回波信号在单一频率下混频；探测器输出端经过隔直电容与跨阻放大器的输入端相连后依次连接可变增益放大器、单位增益缓冲器和模数转换器，时序控制电路与单刀多掷开关和模数转换器相连。本发明可以将由自混频探测器转换成的光电信号进行选通、放大、成型等以满足后面处理设备对电信号的要求；降低探测器暗电流对读出电路增益的影响；提高目标回波信号的信噪比。

Description

一种基于自混频探测器的三维激光成像雷达读出电路
技术领域
本发明属于光电成像领域，涉及一种半导体传感器读出电路的***结构。特别是涉及一种基于自混频探测器的激光成像读出电路。
背景技术
激光成像技术广泛应用空中成像、遥感测绘和目标识别等民用和军事领域。三维激光成像技术可以获取目标距离和强度信息，形成目标或目标环境的三维模型，实现非接触式的三维测量。除此以外，可应用于探测诸如植被等遮蔽物下的隐藏对象。美国陆军实验室提出基于自混频探测器的无扫描FM/CW激光雷达***。FM(FrequencyModulation，频率调制技术)，CW(ContinuousWave，连续波)，FM/CW为调频连续波。这种雷达***首先对激光器和施加在探测器上的本振信号进行调频连续波调制，被调制的激光器产生的激光发射信号照射在目标后形成回波信号；当回波信号返回至自混频探测器时，与本振信号发生混频而获得两者的频率差和信号强度，从而得到目标的距离和强度信息。
结合图1简要说明基于FM/CW的激光成像原理，图中实线为本振信号，虚线为激光回波信号。这两种信号被调制后的频率在一个周期T内是线性增加的。激光照射到目标后形成的回波信号达到探测器时，相对于本振信号的延迟时间为τ，也被称为飞行时间，与目标距离成正比关系。在近似一个周期T内的每个时间点上，本振信号与回波信号的频率都相差fif，因此这两个信号在自混频探测器上进行混频可以产生一个频率为fif的交流信号。这种形成的差频(或中频)信号的频率fif与飞行时间成线性关系，因此fif与目标距离也具有线性关系，最终通过获取信号的频率信息即可得到目标的距离像。根据中频信号的强度也可获取到目标反射的灰度像，根据距离和灰度像便可得到目标的三维立体像。
这种成像机制将极快的飞行时间转成频率很低的中频信号，极大降低了飞行时间的检测难度，从而降低了***成本。然而，利用自混频探测器进行激光成像的技术仍在研究阶段，尚未成熟。FM/CW的激光雷达要求探测器的高频响应要好，而且常使用1.5xμm人眼安全激光，基于以上两点要求，探测器受工艺条件限制，其自身等效电阻比较小，暗电流大，往往使得读出电路输入级的输入电阻小，降低了读出电路的增益。与此同时，受调制波频率线性度、探测器高频响应度低、信号的谐波和杂波等因素的影响，使输出信号的信噪比很低，造成这种激光成像雷达难以得到应用。
发明内容
针对现有技术，本发明提供一种基于自混频探测器的三维激光成像雷达读出电路，可以将由自混频探测器转换成的光电信号进行选通、放大、成型等处理，满足后面处理设备对电信号的要求；降低探测器暗电流对读出电路增益的影响；提高目标回波信号的信噪比。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于自混频探测器的三维激光成像雷达读出电路,该电路包括自混频探测器单元阵列、单刀多掷开关、隔直电容、跨阻放大器、可变增益放大器、模数转换器和时序控制电路；本振信号发生器产生的本振信号通过所述单刀多掷开关施加在自混频探测器单元阵列的输入端，同时所述本振信号发生器产生的本振信号对激光器进行调制，所述自混频探测器单元阵列接收激光回波信号，从而使本振信号和激光回波信号在单一频率下混频；所述自混频探测器单元阵列的输出端经过所述隔直电容与所述跨阻放大器的输入端相连后依次连接可变增益放大器、单位增益缓冲器和模数转换器，所述时序控制电路与单刀多掷开关和模数转换器相连。
进一步讲，本发明基于自混频探测器的三维激光成像雷达读出电路，其中，所述隔直电容串联在自混频探测器单元阵列和跨阻放大器之间。
所述可变增益放大器的个数为1个以上。
所述本振信号发生器产生的信号是调频连续波调制信号或者是单一频率下的交流信号。
所述隔直电容与所述跨阻放大器构成了带通滤波器，对混频后的光电流信号进行滤波，抑制谐波和杂波。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
隔直电容和放大器在放大信号的同时，也可滤除一些谐波、杂波等噪声，提高信号的信噪比。隔直电容还可消除暗电流的影响。本振信号与激光回波信号在单一频率下混频，可以提高更好地得到目标图像的灰度信息。
附图说明
图1是FM/CW成像基本原理示意图；
图2是本发明一种基于自混频探测器的激光成像读出电路框图示意图；图3是本发明实施例一电路连接关系图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
如图2所示，本发明提出的一种基于自混频探测器的三维激光成像雷达读出电路，包括自混频探测器单元阵列101、单刀多掷开关100、隔直电容102、跨阻放大器103、可变增益放大器104、模数转换器106和时序控制电路108；所述本振信号发生器产生的信号是调频连续波调制信号或者是单一频率下的交流信号，本振信号发生器产生的本振信号通过所述单刀多掷开关100施加在自混频探测器单元阵列101的输入端，同时所述本振信号发生器产生的本振信号对激光器进行调制，所述自混频探测器单元阵列101接收激光回波信号，从而使本振信号和激光回波信号在单一频率下混频；所述隔直电容102串联在自混频探测器单元阵列101和跨阻放大器103之间，所述自混频探测器单元阵列101的输出端经过所述隔直电容102与所述跨阻放大器103的输入端相连后依次连接可变增益放大器104、单位增益缓冲器105和模数转换器106，所述时序控制电路108与单刀多掷开关100和模数转换器106相连。所述隔直电容102与所述跨阻放大器103构成了带通滤波器，对混频后的光电流信号进行滤波，抑制谐波和杂波。所述可变增益放大器104的个数为1个以上，所述单刀多掷开关100的开关数与可变增益放大器104的个数相同。
本发明提出的一种基于自混频探测器的三维激光成像雷达读出电路的工作原理为：基于FM/CW激光成像原理和探测器的自混频特性，当被调频连续波调制后的激光照射到工作的自混频探测器单元阵列101上时，同为交流信号的本振信号和激光回波信号可在自混频探测器单元阵列101上进行混频，自混频探测器单元阵列101则可输出两者信号的差频(或中频)交流光电流信号，同时输出也包含有多次谐波、杂波等噪声信号。
本发明电路中的隔直电容102与跨阻放大器103构成了一带通滤波器，可对混频后的光电流信号进行滤波，抑制谐波和杂波。该光电流信号经过隔直电容102进入跨阻放大器103后，被初步放大并转化成为中频电压信号。由于自混频探测器单元阵列101自身等效电阻较小，造成该探测器输出信号含有较大的直流暗电流，这使得跨阻放大器103的输入电阻减小，增益降低，而隔直电容102可以消除这一影响对跨阻放大器103增益的影响。中频电压信号经过可变增益放大器104继续放大达到模数转换器106输入精度的要求。
本发明中设置的单位增益缓冲器105用以提高电压信号的驱动能力，模数转换器106将电压模拟信号转化成数字信号供后续电路分析处理，获得目标的距离和灰度信息。单刀多掷开关100分时依次选择不同探测器单元工作并输出信号，最终再将所有探测器单元输出后的信号拼接成完整的一帧图像。读出电路由时序控制电路108提供控制信号。
在包括FM/CW信号频率的线性度、探测器与本振信号发生器的阻抗匹配特性、不同频率下的混频响应度变化以及谐波信号杂散等因素的影响下，信号含有较多的频率成份，幅值也不稳定且信噪比低，继而影响了信号强度信息的可信度。本发明中，本振信号发生器还可以对本振信号和激光器进行单一频率调制，即本振信号与激光回波信号频率均为单一频率，同时二者频率差为已知的固定频率。当上述单一频率下的本振信号和回波信号经过探测器混频后，输出信号将为这一固定频率下的交流信号，降低了信号噪声。后续电路可以同步采集信号，更为准确地获得图像灰度信息。
实施例一：如图3所示，本发明基于自混频探测器的三维激光成像雷达读出电路，包括：单刀双掷开关100、自混频探测器单元阵列101、隔直电容102、跨阻放大器103、可变增益放大器104、单元增益缓冲器105、模数转换器106和时序控制电路108，其中，所述自混频探测器单元阵列101采用2*2像元的探测器单元阵列，可变增益放大器104设置有2个，从而自混频探测器单元阵列101的输出信号分别沿两条处理电路达到最后的输出端107的OUT1和OUT2。
所述单刀双掷开关100中的两个开关S1和S2分别与2*2像元的探测器单元阵列相连，时序控制电路(MCU)108控制开关S1选通本振信号时，开关S2选通直流电压Vref1。自混频探测器单元阵列101中编号为1和3的探测器开始工作，输出信号分别沿两条处理电路到达最后的输出。配置的本振信号109为FM调频连续波，其频率从200MHz线性增加至800MHz，同时激光器也受此连续波调制。根据FM/CW成像原理，当激光器发出的激光经目标反射后的激光回波信号到达后，由于自混频探测器单元阵列101收到的激光信号与本振信号109具有时间差，这两种信号经过自混频探测器单元阵列101可输出与距离相关的中频信号，通常频率小于4MHz，幅值小于100nA。
本实施例一中隔直电容102的大小为100nF；跨阻放大器103增益为100K；可变增益放大器104配置两级反相比例放大器，总增益为10-1000倍；跨阻放大器103和可变增益放大器104带宽小于4MHz，从而与隔直电容102形成带通滤波器，滤除低频和高频信号。自混频探测器单元阵列101输出的信号流经跨阻放大器103和可变增益放大器104的反相输入端，跨阻放大器103和可变增益放大器104的正相输入端分别连接不同的参考电压Vref1、Vref2和Vref3，调节三者的参考电压来消除电路失调带来的影响，使每一级放大器的输出信号均在正常电压范围内。选择适当的增益，最后输出的正弦信号幅值可达1V左右。单位增益缓冲器105可以提高来自自混频探测器单元阵列101中编号为1和3放大后的正弦信号的驱动能力，两个模数转制器106将正弦信号转换成数字信号后，分别从输出端107的OUT1和OUT2输出，以供后端数字电路处理存储。
当完成自混频探测器单元阵列101中编号为1和3的信号处理后，时序控制电路108切换单刀双掷开关100使得探测器单元2和4开始工作。同理，输出端108的OUT1和OUT2将分别输出探测器单元2和4放大后的信号。每个探测器单元获取数字信号将被存储和处理，获得信号的频率和强度信息，从而对应获得目标的距离和灰度信息，最后形成目标的三维图像。
实施例二：为了得到更准确的目标图像的灰度信息，可将本振信号109和激光信号分别调制成频率为80MHz和80.1MHz的正弦信号，本振信号和激光回波信号在自混频探测器单元阵列101混频后会输出一个频率为100KHz的正弦信号。时序控制电路108调整模数转换器106的采样频率实现对100KHz信号的同步采样，从而极大提高了采样精度，得到更为准确的信号幅值信息。
对本领域内的技术人员很明显的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成有很大差别的实施例，应当理解，本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种基于自混频探测器的三维激光成像雷达读出电路,其特征在于，包括有：自混频探测器单元阵列(101)、单刀多掷开关(100)、隔直电容(102)、跨阻放大器(103)、可变增益放大器(104)、模数转换器(106)和时序控制电路(108)；
本振信号发生器产生的本振信号通过所述单刀多掷开关(100)施加在自混频探测器单元阵列(101)的输入端，同时所述本振信号发生器产生的本振信号对激光器进行调制，所述自混频探测器单元阵列(101)接收激光回波信号，从而使本振信号和激光回波信号在单一频率下混频；
所述自混频探测器单元阵列(101)的输出端经过所述隔直电容(102)与所述跨阻放大器(103)的输入端相连后依次连接可变增益放大器(104)、单位增益缓冲器(105)和模数转换器(106)，所述时序控制电路(108)与单刀多掷开关(100)和模数转换器(106)相连。
2.根据权利要求1所述基于自混频探测器的三维激光成像雷达读出电路，其特征在于，所述隔直电容(102)串联在自混频探测器单元阵列(101)和跨阻放大器(103)之间。
3.根据权利要求1所述基于自混频探测器的三维激光成像雷达读出电路，其特征在于，所述可变增益放大器(104)的个数为1个以上。
4.根据权利要求1所述基于自混频探测器的三维激光成像雷达读出电路，其特征在于，所述本振信号发生器产生的信号是调频连续波调制信号或者是单一频率下的交流信号。
5.根据权利要求1所述基于自混频探测器的三维激光成像雷达读出电路，其特征在于，所述隔直电容(102)与所述跨阻放大器(103)构成了带通滤波器，对混频后的光电流信号进行滤波，抑制谐波和杂波。
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