CN110261864A - 一种脉冲激光测距***回波信号处理装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种脉冲激光测距***回波信号处理装置和方法，该装置包括主控制器、驱动电路、激光器、光学***、PIN光电探测器、主波放大器、固定阈值时刻鉴别电路、APD光电探测器、前置放大器、主放大器、自相关检测电路、双阈值时刻鉴别电路、高压偏置电路、第一峰值采样电路、第一A/D转换电路、第二峰值采样电路、第二A/D转换电路、D/A转换电路、LED显示屏和上位机。本发明第一峰值采样电路、第一A/D转换电路、第二峰值采样电路、第二A/D转换电路、D/A转换电路结合双阈值时刻鉴别电路，稳定回波信号幅值，同时采用自相关检测电路，从噪声中提取回波信号，提高***信噪比，提高测距精度，扩大***测量范围，且本方法同时还能提高***集成度。

Description

一种脉冲激光测距***回波信号处理装置和方法
技术领域
本发明涉及激光测距技术领域，更具体的说是涉及一种基于飞行时间测量的高精度大范围脉冲激光测距***回波信号处理装置和方法。
背景技术
激光因具有方向性好、亮度高、相干性好等优点被广泛应用在测距领域，脉冲激光测距具有峰值功率高、探测距离远、测量精度高、对光源相干性要求低和无需合作目标等优点。脉冲激光测距的基本原理是激光器向目标发射激光脉冲，激光到达目标表面漫反射后由回波接收通道接收，并测量激光脉冲从发射到接收到回波的飞行时间t，以此来计算待测距离L＝c*t/2，其中，c是光速，时间测量精度是决定测距精度的关键性因素。
传统脉冲激光测距***包括：激光发射、光电探测、放大电路、时刻鉴别电路和计时控制电路几部分。由于激光脉冲在传播过程中受大气及目标散射特性的影响会有不同程度的衰减，当距离较近时，反射回来的激光脉冲信号能量较强，导致光电探测输出信号饱和，而距离较远时，反射回来的信号非常微弱，甚至淹没在噪声中，导致激光回波幅度变化较大，由此使激光回波时刻鉴别误差较大，影响测距精度，同时也制约了***的测量范围。
目前常用的时刻鉴别方法主要有三种：固定阈值时刻鉴别法、高通阻容时刻鉴别法和恒比定时时刻鉴别法。固定阈值时刻鉴别法虽然电路结构简单，能滤除一定噪声，但受回波漂移误差影响大，精度较差。高通阻容法和恒比定时法虽然受回波信号幅度变化的影响较小，但是两者均不允许信号出现饱和，不符合大范围的应用场合的要求，且易受噪声影响引起误触发。
基于以上分析，稳定回波信号幅度和提高***信噪比是有效扩大脉冲激光测距的作用范围，提高其测距精度的关键。
因此，如何提供一种新型脉冲激光测距***回波信号处理装置和方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种脉冲激光测距***回波信号处理装置和方法，能够稳定回波信号幅度和提高***信噪比，提高测距精度，扩大***测量范围。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种脉冲激光测距***回波信号处理装置，包括：主控制器、驱动电路、激光器、光学***、PIN光电探测器、主波放大器、固定阈值时刻鉴别电路、APD光电探测器、前置放大器、主放大器、自相关检测电路、双阈值时刻鉴别电路、高压偏置电路、第一自动增益控制模块、第二自动增益控制模块和增益调节模块；
所述主控制器、所述驱动电路与所述激光器依次连接，所述激光器产生的脉冲激光经所述光学***分光后脉冲激光主波信号进入所述PIN光电探测器，所述PIN光电探测器、所述主波放大器、所述固定阈值时刻鉴别电路和所述主控制器依次连接；
经所述光学***分光后的脉冲激光回波信号进入所述APD光电探测器，所述APD光电探测器、所述前置放大器、所述主放大器、所述自相关检测电路、所述双阈值时刻鉴别电路和所述主控制器依次连接；
所述前置放大器的输出端连接所述第二自动增益控制模块的输入端，且所述第二自动增益控制模块的输出端连接所述主控制器的输入端；
所述自相关检测电路的输出端接所述第一自动增益控制模块的输入端，且所述第一自动增益控制模块的输出端连接所述主控制器的输入端；
所述主控制器的输出端分别连接所述增益调节模块的输入端和所述高压偏置电路的输入端，且所述增益调节模块的输出端连接所述主放大器的输入端，所述高压偏置电路的输出端连接所述APD光电探测器的输入端。
进一步，所述光学***包括扩束镜、分光镜、接收透镜和窄带滤光片，脉冲激光依次经所述扩束镜和所述分光镜分成两路脉冲激光，脉冲激光主波信号进入所述PIN光电探测器，脉冲激光回波信号经被测目标漫反射后依次进入所述接收透镜和所述窄带滤光片。
进一步，所述第一自动增益控制模块包括第一峰值采样电路和第一A/D转换电路，所述自相关检测电路的输出端连接所述第一峰值采样电路的输入端，所述第一峰值采样电路的输出端连接所述第一A/D转换电路的输入端，所述第一A/D转换电路的输出端连接所述主控制器的输入端；
所述第二自动增益控制模块包括第二峰值采样电路和第二A/D转换电路，所述前置放大器的输出端连接所述第二峰值采样电路的输入端，所述第二峰值采样电路的输出端连接所述第二A/D转换电路的输入端，所述第二A/D转换电路的输出端连接所述主控制器的输入端；
所述增益调节模块为D/A转换电路，所述主控制器的输出端连接所述D/A转换电路的输入端，所述D/A转换电路的输出端连接所述主放大器的输入端。
进一步，所述主控制器为FPGA主控制器。
进一步，还包括LED显示屏和上位机，所述LED显示屏和所述上位机均与所述主控制器连接。
一种脉冲激光测距***回波信号处理方法，包括以下步骤：
步骤一：***上电后，主控制器产生控制信号并控制驱动电路，所述驱动电路驱动激光器发射脉冲激光；
步骤二：所述脉冲激光经光学***分光后脉冲激光主波信号进入PIN光电探测器，所述PIN光电探测器将脉冲激光主波信号转换为电流信号，所述电流信号进入主波放大器完成电流电压转换并将电压信号进行放大，放大后的电压信号经固定阈值时刻鉴别电路的整形得到脉冲激光发射时刻的数字信号，该数字信号进入所述主控制器中作为时间间隔测量的起始时刻start；
步骤三：经所述光学***分光后的脉冲激光回波信号进入APD光电探测器，所述APD光电探测器将该路脉冲激光回波信号转换为电流信号，所述电流信号进入前置放大器完成电流电压转换并将电压信号放大到满足要求的电压信号V；
所述电压信号V分两路进行输出，一路输出至主放大器进一步放大得到满足后续电路处理要求的电压信号V1，另一路输出至第二自动增益控制模块；
经所述第二自动增益控制模块得到数字信号Vp2并存储在主控制器中，并与主控制器设定的阈值Vth进行比较，并将比较结果反馈至增益调节模块或高压偏置电路中；
所述电压信号V1进入自相关检测电路，经自相关处理后输出高信噪比电压信号V2；
步骤四：所述高信噪比电压信号V2分两路输出，一路进入第一自动增益控制模块得到数字信号Vp1并存储在主控制器中，并与主控制器设定的两个阈值VH和VL进行比较，VH>VL，并将比较结果反馈至增益调节模块；
另一路进入双阈值时刻鉴别电路并将产生的两个回波时刻鉴别信号送入主控制器作为时间间隔测量的停止信号stop1和stop2；
步骤五：所述主控制器利用FPGA延迟线***法分别测量start与stop1之间的时间间隔t1、start与stop2之间的时间间隔t2，并对测量结果进行分析处理，计算脉冲激光飞行时间Δt，利用所述脉冲激光飞行时间Δt得到被测距离S。
进一步，所述光学***包括扩束镜、分光镜、接收透镜和窄带滤光片，脉冲激光依次经所述扩束镜和所述分光镜分成两路脉冲激光，脉冲激光主波信号进入所述PIN光电探测器，脉冲激光回波信号经被测目标漫反射后依次进入所述接收透镜和所述窄带滤光片，其中，所述接收透镜对接收到的脉冲激光主波信号进行聚焦，所述窄带滤光片对脉冲激光主波信号进行滤波。
进一步，所述第一自动增益控制模块包括第一峰值采样电路和第一A/D转换电路，所述第一峰值采样电路采集所述自相关检测电路的输出信号峰值并传输给所述第一A/D转换电路，所述第一A/D转换电路将其转换为数字信号Vp1，并发送给所述主控制器；
第二自动增益控制模块包括第二峰值采样电路和第二A/D转换电路，所述第二峰值采样电路采集所述前置放大器的输出信号峰值并传输给所述第二A/D转换电路，所述第二A/D转换电路将其转换为数字信号Vp2，并发送给所述主控制器；
所述增益调节模块为D/A转换电路，所述D/A转换电路用于自动控制所述主放大器的增益。
进一步，所述D/A转换电路进行自动增益控制的具体步骤为：
A、将所述数字信号Vp1与所述主控制器设定的两个阈值VH和VL进行比较，VH>VL，若Vp1<VL，则通过所述D/A转换电路增大所述主放大器的增益，若VL≤Vp1≤VH，则保持所述主放大器的增益不变；
B、将数字信号Vp2与所述主控制器设定的阈值Vth进行比较，若Vp1>VH，且Vp2>Vth，则通过所述高压偏置电路降低所述APD光电探测器的偏压，若Vp1>VH，且Vp2≤Vth，则通过所述D/A转换电路减小主放大器的增益。
进一步，所述主控制器为FPGA主控制器，利用标定曲线补偿误差，脉冲激光飞行时间Δt计算公式为：
Δt＝t1-Δterror(1)
其中，Δterror表示时间漂移误差；
利用所述脉冲激光飞行时间Δt得到被测距离S：
S＝c·Δt/2(2)
其中，c为真空中的光速；
所述被测距离S利用LED显示屏进行LED显示，并通过上位机进行数据保存。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种脉冲激光测距***回波信号处理装置和方法，具有以下优点：
(1)本发明采用了自动增益控制技术大大减小回波信号的幅度波动，能有效减小回波功率漂移带来的时刻鉴别误差，同时采用双阈值前沿时刻鉴别法补偿残余的漂移误差，使时刻鉴别精度不受回波信号饱和的影响，实现高精度时刻鉴别，解决了回波功率漂移对测距精度影响较大的问题，提高了测距精度和测量范围。
(2)本发明采用自相关检测电路降低***噪声，提高***信噪比、测距精度和测程。
(3)本发明利用FPGA主控制器同时实现对时间间隔的测量和对***的控制，提高了***的集成度。
(4)本发明与现有技术相比信噪比提高到10dB以上，测量范围扩大为2m～3km，精度提高到0.5m以内。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的脉冲激光测距***回波信号处理装置示意图。
图2附图为本发明提供的光学***示意图。
图3附图为本发明提供的脉冲激光测距***回波信号处理方法流程图。
图4附图为本发明提供的自动增益控制流程图。
图5附图为本发明提供的自相关检测电路原理图。
图6附图为本发明提供的自相关检测电路结构示意图。
图7附图为本发明提供的双阈值时刻鉴别电路结构示意图。
图8附图为本发明提供的双阈值时刻鉴别电路鉴别原理图。
其中，各部件表示：
1、主控制器，2、驱动电路，3、激光器，4、光学***，401、扩束镜，402、分光镜，403、接收透镜，404、窄带滤光片，5、PIN光电探测器，6、主波放大器，7、固定阈值时刻鉴别电路，8、APD光电探测器，9、前置放大器，10、主放大器，11、自相关检测电路，12、双阈值时刻鉴别电路，13、高压偏置电路，14、第一自动增益控制模块，141、第一峰值采样电路，142、第一A/D转换电路，15、第二自动增益控制模块，151、第二峰值采样电路，152、第二A/D转换电路，16、增益调节模块，17、LED显示屏，18、上位机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例基于1064nm脉冲激光、10ns脉宽的光源实现高精度、大范围脉冲激光测距，提出新型回波信号处理装置和方法，首先设计自动增益控制电路结合双阈值回波信号时刻鉴别电路，稳定回波信号幅值，同时采用自相关检测电路，从噪声中提取回波信号，提高***信噪比，提高测距精度，扩大***测量范围，这种方法同时还能提高***集成度。
具体的，一种脉冲激光测距***回波信号处理装置包括主控制器1、驱动电路2、激光器3、光学***4、PIN光电探测器5、主波放大器6、固定阈值时刻鉴别电路7、APD光电探测器8、前置放大器9、主放大器10、自相关检测电路11、双阈值时刻鉴别电路12、高压偏置电路13、第一自动增益控制模块14、第二自动增益控制模块15、增益调节模块16、LED显示屏17和上位机18；
其中，激光器3用于产生波长为1064nm，脉宽为10ns的脉冲激光；光学***4用于汇聚脉冲激光信号后分光，对回波脉冲信号聚焦、准直和滤波；PIN光电探测器5用于探测主波信号并进行光电转换，APD光电探测器8用于探测回波信号并进行光电转换；主波放大器6和前置放大器9分别对输出的主波、回波微弱电流信号转换成电压信号并放大；固定阈值时刻鉴别电路7用于鉴别激光脉冲主波信号发射时刻；自相关检测电路11用于降低噪声、提高***信噪比，实现从噪声中提取出微弱的回波信号；高压偏置电路13用于给APD光电探测器提供高压偏置电压；第一自动增益控制模块14、第二自动增益控制模块15和增益调节模块16，FPGA主控制器根据检测到的前置放大器输出电压幅值和自相关检测电路输出电压幅值大小与相应的阈值进行比较并计算，反馈调节主放大器的增益和APD光电探测器的偏置电压，减小回波信号幅度的波动范围，进而提高***信噪比和测距精度；双阈值时刻鉴别电路12用于准确鉴别回波信号的到达时刻，提高测距精度；主控制器1为FPGA主控制器，FPGA主控制器利用FPGA内部延时单元实现主回波之间时间间隔的高分辨率测量，同时FPGA也作为***控制器，提高***集成度；LED显示屏17，用于显示FPGA主控制器计算处理的测距结果；上位机18，用于与FPGA主控制器进行串口通讯，保存测量结果。
其连接关系为，结合图1，FPGA主控制器、驱动电路2与激光器3依次连接，激光器3产生的脉冲激光经光学***4分光后一路脉冲激光进入PIN光电探测器5，PIN光电探测器5、主波放大器6、固定阈值时刻鉴别电路7和FPGA主控制器依次连接；
经光学***4分光后的另一路脉冲激光进入APD光电探测器8，APD光电探测器8、前置放大器9、主放大器10、自相关检测电路11、双阈值时刻鉴别电路12和FPGA主控制器依次连接；
第一自动增益控制模块14包括第一峰值采样电路141和第一A/D转换电路142，自相关检测电路11的输出端连接第一峰值采样电路141的输入端，第一峰值采样电路141的输出端连接A/D转换电路的输入端，A/D转换电路的输出端连接FPGA主控制器的输入端；
第二自动增益控制模块15包括第二峰值采样电路142和第二A/D转换电路152，前置放大器9的输出端连接第二峰值采样电路142的输入端，第二峰值采样电路142的输出端连接第二A/D转换电路152的输入端，第二A/D转换电路152的输出端连接FPGA主控制器的输入端；
增益调节模块16为D/A转换电路，FPGA主控制器的输出端连接D/A转换电路的输入端，D/A转换电路的输出端连接主放大器10的输入端；
LED显示屏17和上位机18均与FPGA主控制器连接。
结合图2，光学***4包括扩束镜401、分光镜402、接收透镜403和窄带滤光片404，脉冲激光依次经扩束镜401和分光镜402分成两路脉冲激光，脉冲激光主波信号进入PIN光电探测器5，另一路脉冲激光经被测目标漫反射后依次进入接收透镜403和窄带滤光片404，脉冲激光回波信号再传输至APD光电探测器8中。
本发明脉冲激光测距回波信号处理装置，***测距原理采用飞行时间测量法，即其中S为待测距离，c为真空中的光速，Δt为激光脉冲的飞行时间。而实现高精度、大范围测距的关键在于对时间的精准测量，因此本发明通过高精度的回波信号处理电路，降低***噪声，稳定信号幅值，实现了对回波信号进行准确的时刻鉴别和高精度的时间间隔测量。
结合图3，一种脉冲激光测距***回波信号处理方法，包括以下步骤：
(1)打开电源，***上电，FPGA主控制器控制驱动电路2驱动激光器3发射脉冲激光，脉宽为10ns，脉冲激光经过扩束镜401减小激光发散角后，经分光镜402后分成能量1：9的两路光。
(2)占10％能量的脉冲激光直接进入PIN光电探测器5，PIN光电探测器5将光信号转换成电流信号，此电流信号进入主波放大器6中，完成I/V转换并放大，输出信号连接到固定阈值时刻鉴别电路7的输入端，经过整形得到数字信号，该数字信号进入FPGA主控制器计时模块中，作为时间间隔测量的起始时刻start。
(3)90％能量的一路脉冲激光信号经被测目标漫反射，经过接收透镜403的聚焦和窄带滤光片404滤波后被APD光电探测器8接收并转换成电流信号I输出，其中，APD光电探测器8位于接收透镜403的2倍焦距处，接收透镜403对接收到的激光进行聚焦，并对APD光电探测器8的有效接收面积进行一定的放大；窄带滤光片404紧邻APD光电探测器8光敏面，能够滤除杂散光，提高信噪比的同时提高***精度。
电流信号I进入低噪声前置放大电路9中进行I/V转换并放大数千倍得到V，电压信号V进入主放大器10进一步放大得到满足后续电路处理要求的电平标准的电压信号V1，另一路进入第二自动增益控制模块。
由于激光脉冲信号受大气和目标反射特性的影响，会有不同程度的衰减和畸变，当目标较远时，回波信号幅值较小；同时存在的背景杂散光噪声、环境噪声及硬件电路部分的噪声使回波信号淹没在噪声中很难提取，这就给准确时刻鉴别带来较大的误差，最终影响测距精度。所以利用自相关检测电路11达到抑制噪声，提高***信噪比的目的。主放大电路的输出信号V1进入自相关检测电路11的输入端，经过自相关处理后输出高信噪比信号V2。
(4)随着目标距离的变化，激光测距仪接收到的回波激光功率也会发生变化，这一变化体现在回波信号的电压幅值上，这会给时刻鉴别带来很大的漂移误差，此外，过小的信号幅值会被噪声淹没以致无法识别信号。为实现高精度大范围的脉冲激光测距，采用自动增益控制技术，将回波信号幅值稳定在一个较小的波动区间内。即自相关检测电路11的输出信号V2一路进入第一自动增益模块14。由于脉冲信号的峰值时间较短，不能满足A/D转换电路对输入信号的要求，所以首先由第一峰值检测电路141采集回波信号的峰值并保持一定的时间，使第一A/D转换电路142有足够的时间将其转换为数字信号Vp1，以便FPGA主控制器获取信号的幅度信息。数字信号Vp1存储在FPGA中，并与FPGA主控制器中设定的两个阈值VH和VL(VH>VL)进行比较，反馈到回波接收电路D/A转换电路7中，对主放大器10的增益进行调整，使主放大器10的输出电压稳定在一个较小的波动范围内；同样的原理，第二峰值采样信号151对前置放大器9的输出信号进行峰值采样，经第二A/D转换模块后得到数字信号Vp2，数字信号Vp2与FPGA主控制器中设定的阈值Vth比较，反馈调节APD光电探测器的偏压，从而使放大电路的输出信号V1峰值稳定在一个小波动区间内，防止电压信号饱和，有利于提高时刻鉴别精度，提高***测距精度。
自相关检测电路11的输出信号另一路进入双阈值时刻鉴别电路12，使用两个阈值Vth1和Vth2(Vth1<Vth2)测量同一激光回波信号，产生的两个回波时刻鉴别信号送入FPGA主控制器的计时模块作为时间间隔测量的停止信号stop1和stop2。后续算法处理中利用标定的误差补偿关系，补偿单个阈值引起的时间漂移误差，得到准确的激光回波到达时刻。
(5)双阈值时刻鉴别电路12的输出信号进入FPGA主控制器，利用FPGA延迟线***法分别测量start与stop1和start与stop2之间的时间间隔t1和t2，并对测量结果进行分析处理，计算脉冲激光飞行时间Δt，从而可计算出待测距离通过LED显示屏17显示，并通过串口传递给上位机18进行数据保存。
其中，自相关检测电路11由乘法器、延时器和积分器组成如图5所示，电路结构示意图如图6所示。由于回波主放大器10的输出信号V1包含脉冲信号s(t)和噪声信号n(t)，为表明信号处理流程，图5中用加法器表示信号之间的包含关系。信号x(t)＝s(t)+n(t)作为自相关检测电路的输入信号。
输入信号x(t)一路直接进入乘法器，另一路经过延时电路延时τ后进入乘法器。
通过乘法器和积分器对信号x(t)做自相关运算后得输出信号Rx(τ)。
经过自相关处理后可以显著抑制噪声，从噪声中提取信号，提高***信噪比，从而提高***测距精度。
结合图4，自动增益控制的具体步骤为：
A、第一峰值采样电路141采集自相关检测电路11输出的电压信号峰值，并将此峰值经过第一A/D转换电路转换为数字信号Vp1存储在FPGA主控制器中；第二峰值检测电路151采集前置放大器9输出的电压信号峰值，将此峰值经过第二A/D转换电路转换为数字信号Vp2存储在FPGA中。
B、FPGA主控制器中设置两个阈值VH和VL，VH>VL，将Vp1与VH和VL进行比较，若Vp1>VH，信号很可能会饱和，在回波功率过大导致APD光电探测器8或者前置放大器9输出饱和时，需要降低APD光电探测器8偏压获得一个较低的倍增因子，将前置放大器9输出信号峰值数据Vp2与FPGA主控制器中存储的阈值Vth进行比较，如果Vp2>Vth，则调整降低APD光电探测器8偏压，如果Vp2≤Vth，则通过D/A转换电路反馈控制减小主放大器10增益；如果Vp1<VL，则通过D/A转换电路增大主放大器的增益；如果VL≤Vp1≤VH，则保持主放大器增益不变。
结合图7和图8，双阈值时刻鉴别电路12的整形原理以及时间间隔测量的具体步骤为：
a.影响时刻鉴别的主要因素是回波功率变化带来的漂移误差，经过自动增益控制模块之后漂移误差虽然减小但仍然存在，故采用双阈值时刻鉴别法补偿残余的漂移误差。通过建立漂移误差模型可知漂移误差的大小和两个阈值之间的时间间隔均与回波信号幅值有关，故时间漂移误差与两个阈值之间的时间间隔有关。
b.自相关检测电路11输出的回波电压信号V2一路输入第一比较器MAX的正相端，作为需要比较的电压信号输入。反相端输入电压为阈值电压设置为Vth1，Vth1设置为噪声不会触发虚警的最小值，其值与放大后的电压值、自相关后的噪声电压有关，可通过电位器根据实际情况调节(-5V～+5V)，一般设置为Vth2的1/2。当正相端电压达到阈值电压Vth1时，比较器输出高电平信号。
c.自相关检测电路11输出的回波电压信号V2另一路进入第二比较器MAX的正相端，作为需要比较的电压信号输入。反相端输入电压为阈值电压设置为Vth2，其中Vth1<Vth2，Vth2可通过电位器根据实际情况调节(-5V～+5V),一般设置为放大电路输出的最小信号电压。当正相端电压达到阈值电压Vth2时，比较器输出高电平信号。
d.回波信号同时经Vth1和Vth2产生两个停止计时数字信号，送入FPGA计时模块，可以测量得到两个飞行时间t1和t2。
e.FPGA主控制器内存有通过实验预先标定好的t2-t1与时间漂移误差Δterror的关系，通过查表的方式查找需要补偿的时间漂移误差值，最终计算得到脉冲飞行时间为：
Δt＝t1-Δterror
本发明提供的一种脉冲激光测距***回波信号处理方法扩大了***测量范围，可以提高***信噪比以及测距精度，而且还能提高***集成度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种脉冲激光测距***回波信号处理装置，其特征在于，包括：主控制器(1)、驱动电路(2)、激光器(3)、光学***(4)、PIN光电探测器(5)、主波放大器(6)、固定阈值时刻鉴别电路(7)、APD光电探测器(8)、前置放大器(9)、主放大器(10)、自相关检测电路(11)、双阈值时刻鉴别电路(12)、高压偏置电路(13)、第一自动增益控制模块(14)、第二自动增益控制模块(15)和增益调节模块(16)；
所述主控制器(1)、所述驱动电路(2)和所述激光器(3)依次连接，所述激光器(3)产生的脉冲激光经所述光学***(4)分光后脉冲激光主波信号进入所述PIN光电探测器(5)，所述PIN光电探测器(5)、所述主波放大器(6)、所述固定阈值时刻鉴别电路(7)和所述主控制器(1)依次连接；
经所述光学***(4)分光后的脉冲激光回波信号进入所述APD光电探测器(8)，所述APD光电探测器(8)、所述前置放大器(9)、所述主放大器(10)、所述自相关检测电路(11)、所述双阈值时刻鉴别电路(12)和所述主控制器(1)依次连接；
所述前置放大器(9)的输出端连接所述第二自动增益控制模块(15)的输入端，且所述第二自动增益控制模块(15)的输出端连接所述主控制器(1)的输入端；
所述自相关检测电路(11)的输出端接所述第一自动增益控制模块(14)的输入端，且所述第一自动增益控制模块(14)的输出端连接所述主控制器(1)的输入端；
所述主控制器(1)的输出端分别连接所述增益调节模块(16)的输入端和所述高压偏置电路(13)的输入端，且所述增益调节模块(16)的输出端连接所述主放大器(10)的输入端，所述高压偏置电路(13)的输出端连接所述APD光电探测器(8)的输入端。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲激光测距***回波信号处理装置，其特征在于，所述光学***(4)包括扩束镜(401)、分光镜(402)、接收透镜(403)和窄带滤光片(404)，脉冲激光依次经所述扩束镜(401)和所述分光镜(402)分成两路脉冲激光，脉冲激光主波信号进入所述PIN光电探测器(5)，脉冲激光回波信号经被测目标漫反射后依次进入所述接收透镜(403)和所述窄带滤光片(404)。
3.根据权利要求1所述的一种脉冲激光测距***回波信号处理装置，其特征在于，所述第一自动增益控制模块(14)包括第一峰值采样电路(141)和第一A/D转换电路(142)，所述自相关检测电路(11)的输出端连接所述第一峰值采样电路(141)的输入端，所述第一峰值采样电路(141)的输出端连接所述第一A/D转换电路(142)的输入端，所述第一A/D转换电路(142)的输出端连接所述主控制器(1)的输入端；
所述第二自动增益控制模块(15)包括第二峰值采样电路(151)和第二A/D转换电路(152)，所述前置放大器(9)的输出端连接所述第二峰值采样电路(151)的输入端，所述第二峰值采样电路(151)的输出端连接所述第二A/D转换电路(152)的输入端，所述第二A/D转换电路(152)的输出端连接所述主控制器(1)的输入端；
所述增益调节模块(16)为D/A转换电路，所述主控制器(1)的输出端连接所述D/A转换电路的输入端，且所述D/A转换电路的输出端连接所述主放大器(10)的输入端。
4.根据权利要求1所述的一种脉冲激光测距***回波信号处理装置，其特征在于，还包括LED显示屏(17)和上位机(18)，所述LED显示屏(17)和所述上位机(18)均与所述主控制器(1)连接。
5.根据权利要求1所述的一种脉冲激光测距***回波信号处理装置，其特征在于，所述主控制器(1)为FPGA主控制器。
6.一种脉冲激光测距***回波信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：***上电后，主控制器(1)产生控制信号并控制驱动电路(2)，所述驱动电路(2)驱动激光器(3)发射脉冲激光；
步骤二：所述脉冲激光经光学***(4)分光后脉冲激光主波信号进入PIN光电探测器(5)，所述PIN光电探测器(5)将脉冲激光主波信号转换为电流信号，所述电流信号进入主波放大器(6)完成电流电压转换并将电压信号进行放大，放大后的电压信号经固定阈值时刻鉴别电路(7)的整形得到脉冲激光发射时刻的数字信号，该数字信号进入所述-主控制器(1)中作为时间间隔测量的起始时刻start；
步骤三：经所述光学***(4)分光后的脉冲激光回波信号进入APD光电探测器(8)，所述APD光电探测器(8)将所述路脉冲激光回波信号转换为电流信号，所述电流信号进入前置放大器(9)完成电流电压转换并将电压信号放大到满足要求的电压信号V；
所述电压信号V分两路进行输出，一路输出至主放大器(10)进一步放大得到满足后续电路处理要求的电压信号V1，另一路输出至第二自动增益控制模块(15)；
经所述第二自动增益控制模块(15)得到数字信号Vp2并存储在所述-主控制器(1)中，并与所述-主控制器(1)设定的阈值Vth进行比较，并将比较结果反馈至增益调节模块(16)或高压偏置电路(13)中；
所述电压信号V1进入自相关检测电路(11)，经自相关处理后输出高信噪比电压信号V2；
步骤四：所述高信噪比电压信号V2分两路输出，一路进入第一自动增益控制模块(14)得到数字信号Vp1并存储在所述主控制器(1)中，并与所述主控制器(1)设定的两个阈值VH和VL进行比较，VH>VL，并将比较结果反馈至所述增益调节模块(16)；
另一路进入双阈值时刻鉴别电路(12)并将产生的两个回波时刻鉴别信号送入主控制器(1)作为时间间隔测量的停止信号stop1和stop2；
步骤五：所述主控制器(1)利用FPGA延迟线***法分别测量start与stop1之间的时间间隔t1、start与stop2之间的时间间隔t2，并对测量结果进行分析处理，计算脉冲激光飞行时间Δt，利用所述脉冲激光飞行时间Δt得到被测距离S。
7.根据权利要求6所述的一种脉冲激光测距***回波信号处理方法，其特征在于，所述光学***(4)包括扩束镜(401)、分光镜(402)、接收透镜(403)和窄带滤光片(404)，脉冲激光通过所述扩束镜(401)减小发散角且通过所述分光镜(402)分成两路脉冲激光，所述脉冲激光主波信号进入所述PIN光电探测器(5)，脉冲激光回波信号经被测目标漫反射后依次进入所述接收透镜(403)和所述窄带滤光片(404)，其中，所述接收透镜(403)对接收到的脉冲激光回波信号进行聚焦，所述窄带滤光片(404)对脉冲激光回波信号进行滤波。
8.根据权利要求7所述的一种脉冲激光测距***回波信号处理方法，其特征在于，所述第一自动增益控制模块(14)包括第一峰值采样电路(141)和第一A/D转换电路(142)，所述第一峰值采样电路(141)采集所述自相关检测电路(11)的输出信号峰值并传输给所述第一A/D转换电路(142)，所述第一A/D转换电路(142)将其转换为数字信号Vp1，并发送给所述主控制器(1)；
所述第二自动增益控制模块(15)包括第二峰值采样电路(151)和第二A/D转换电路(152)，所述第二峰值采样电路(151)采集所述前置放大器(9)的输出信号峰值并传输给所述第二A/D转换电路(152)，所述第二A/D转换电路(152)将其转换为数字信号Vp2，并发送给所述主控制器(1)；
所述增益调节模块(16)为D/A转换电路，所述D/A转换电路用于自动控制所述主放大器(10)的增益。
9.根据权利要求8所述的一种脉冲激光测距***回波信号处理方法，其特征在于，所述D/A转换电路进行自动增益控制的具体步骤为：
A、将所述数字信号Vp1与所述主控制器(1)设定的两个阈值VH和VL进行比较，VH>VL，若Vp1<VL，则通过所述D/A转换电路增大所述主放大器(10)的增益，若VL≤Vp1≤VH，则保持所述主放大器(10)的增益不变；
B、将数字信号Vp2与所述主控制器(1)设定的阈值Vth进行比较，若Vp1>VH，且Vp2>Vth，则通过所述高压偏置电路(13)降低所述APD光电探测器(8)的偏压，若Vp1>VH，且Vp2≤Vth，则通过所述D/A转换电路减小主放大器(10)的增益。
10.根据权利要求6所述的一种脉冲激光测距***回波信号处理方法，其特征在于，所述主控制器(1)为FPGA主控制器，利用标定曲线补偿误差，计算脉冲激光飞行时间Δt：
Δt＝t1-Δterror (1)
其中，Δterror表示时间漂移误差；
利用所述脉冲激光飞行时间Δt得到被测距离S：
S＝c·Δt/2 (2)
其中，c为真空中的光速；
所述被测距离S利用LED显示屏(17)进行LED显示，并通过上位机(18)进行数据保存。
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