CN110412545A - 脉冲激光雷达时间间隔的模-数测量电路 - Google Patents

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黄伟
周祥
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Abstract

本发明公开了一种脉冲激光雷达时间间隔的模‑数测量电路，包括门电路、储能电容、高速采样电路、上位机和控制器，门电路一串联在电阻R1输输端和限流电阻R2输入端，在控制器控制下选通电路使直流电压通过；门电路二串联在储能电容C2正端和限流电阻R3输入端；储能电容储存回波信号的能量；高速采样电路信号输入端接储能电容正极；控制器在设定参数下控制门电路一和门电路二的选通状态，其输入包括起始信号、停止信号和高速采样电路采样的回波信号数据；控制器控制高速采样电路的工作状态，并将时间间隔信息传输显示到上位机。本发明能够有效消除因硬件信号延迟和噪声引起的时间间隔测量误差，提高脉冲激光雷达测量精度。

Description

脉冲激光雷达时间间隔的模-数测量电路
技术领域
本发明涉及激光雷达领域，特别涉及一种高精度时间间隔测量电路，应用于激光测量领域。
技术背景
激光雷达作为21世纪众多智能设备的核心传感器，已经非常广泛应用于运用在服务、安全、娱乐以及工业和实验室测量等领域。为实现激光雷达高精度测量，提高其接收电路中时间间隔测量技术是一个有效途径。
传统的时间间隔测量方法主要有模拟转换法、数字转换法和***法。模拟转换存在非线性问题，误差难以消除。数字转换法在起止定时发生延时。延迟线***法误差主要来源于缓速器的最小单位以及缓速器与触发器之间的非线性关系。模拟***法的误差主要是由电容器的非线性放电引起的，另外，由于采用了超高频时钟，很容易产生抖动和误差。为了有效消除因硬件信号延迟和噪声引起的时间间隔测量误差，提高脉冲激光雷达测量精度，有必要对上述时间间隔测量电路进行改进提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种脉冲激光雷达时间间隔的模-数测量电路，能够有效消除因硬件信号延迟和噪声引起的时间间隔测量误差，压缩数据误差，提高时间间隔测量的精度，从而进一步有效提高脉冲激光测量的精度。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：一种脉冲激光雷达时间间隔的模-数测量电路，包括门电路、储能电容、高速采样电路、上位机和控制器，门电路一在控制器控制下选通电路使直流电压通过；储能电容储存回波信号的能量；门电路一串联在电阻R1输输端和限流电阻R2输入端，门电路二串联在储能电容C2正端和限流电阻R3输入端；控制器在设定参数下控制门电路一和门电路二的选通状态；高速采样电路信号输入端接储能电容正极；控制器输入包括起始信号、停止信号和高速采样电路采样的回波信号数据，控制器控制高速采样电路的工作状态，控制器将时间间隔信息传输显示到上位机。
本发明的有益效果是：采用一种脉冲激光雷达时间间隔的模-数测量电路，包括门电路、储能电容、高速采样电路、上位机和控制器相结合，门电路在控制器的控制下选通来实现回波信号对储能电容的充放电操作，精准实现储能电容充放电的时序逻辑；储能电容将起始信号和停止信号的时间间隔转化为充电过程；一方面，门电路避免了电路电流噪声引起的储能电容充放电，使时间间隔测量不受噪声的影响；另一方面，控制器与高速采样电路相结合，能有效获取储能电容充放电过程的电源波形的时间和幅度数据，通过设计程序算法来对采样的数字信号进行处理计算，可消除高模拟信号处理存在的误差；本发明适合于窄脉冲和大距离范围的探测，能够消除硬件信号延迟和噪声引起的时间间隔测量误差。
附图说明
图1是本发明原理图。
图2是本发明时间间隔模-数测量的充放电信号曲线分析图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
实施例：
结合图1，一种脉冲激光雷达时间间隔的模-数测量电路包括门电路、储能电容、高速采样电路、上位机和控制器，门电路一在控制器控制下选通电路使直流电压通过；储能电容储存回波信号的能量；门电路一串联在电阻R1输输端和限流电阻R2输入端，门电路二串联在储能电容C2正端和限流电阻R3输入端；控制器在设定参数下控制门电路一和门电路二的选通状态；高速采样电路信号输入端接储能电容正极；控制器输入包括起始信号、停止信号和高速采样电路采样的回波信号数据，控制器控制高速采样电路的工作状态，控制器将时间间隔信息传输显示到上位机。
结合图1，电路一的输入端与电阻R1的第二端相连，门电路一的输出端与限流电阻R2的第一端相连，门电路一的控制端与控制器相连，门电路二的输入端与限流电阻R2的第二端相连，门电路二的输出端与限流电阻R3相连并接地，门电路二的控制端与控制器相连；储能电容C2的正端连接在限流电阻R2第二端与门电路二输入端之间；高速采样电路的同向偏压接直流电源，反向偏压接零电平，时钟源接5V/1Hz～5GHz时钟信号，信号采样输入端连接储能电容C2的正端，采样输出端与控制器数据接收端相连，高速采样电路使能端与控制器相连；控制器输出端与上位机相连。
结合图1，储能电容的充放电过状态由控制器控制门电路一和门电路二实现，储能电容充放电过冲中电压信号由高速采样器采样，并传输给控制器，控制器根据采样数据获得储能电容充电时间的相关特征信息，并进一步处理传输到上位机实时显示时间间隔信息。
结合图2，在充电过程中，高速采样器从储能电容充电起始点滞后一段时间后开始对储能电容电压上升沿进行高速采样。第一个采样点的时间轴自定义设置一个起始时间(设为t0)。当采样结束时，这些采样数据的矩阵关系可以表示为其中，P为采样点，v为采样电压，T为采样周期。对这些采样点数据进行曲线拟合时，首先是有效点的选取，从图2可以看出，时间间隔应对应于充电时间间隔，但是并不是所有采样的点都是在这个范围的，这里主要是分析充电区域缓冲区的临界区点的分布。当Pi点位于临界区活着临界区左边，则有效点为P1～Pi；如果Pi点位于临界区右边，则选取有效点为P1～Pi-1。第二是确定采样点的时间轴信息，计算时间间隔可以采用未知参数相互消除来获取，实际测量时间由采样周期和采样点数来决定。第三是确定最大值，在拟合出来的曲线模型中，开始计时时间由电压为零决定，计时停止时间是通过电容充满电时的最大电压反映，所以可以从采样数据的末端提取。设获得的采样点为(0≤V≤vn)，则最终的时间间隔可表示为

Claims (3)

1.一种脉冲激光雷达时间间隔的模-数测量电路，包括门电路、储能电容、高速采样电路、上位机和控制器，其特征在于门电路一串联在电阻R1输输端和限流电阻R2输入端，在控制器控制下选通电路使直流电压通过；门电路二串联在储能电容C2正端和限流电阻R3输入端；储能电容储存回波信号的能量；高速采样电路信号输入端接储能电容正极；控制器在设定参数下控制门电路一和门电路二的选通状态，其输入包括起始信号、停止信号和高速采样电路采样的回波信号数据；控制器控制高速采样电路的工作状态，并将时间间隔信息传输显示到上位机。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲激光雷达时间间隔的模-数测量电路，其特征在于所述门电路一的输入端与电阻R1的第二端相连，门电路一的输出端与限流电阻R2的第一端相连，门电路一的控制端与控制器相连，门电路二的输入端与限流电阻R2的第二端相连，门电路二的输出端与限流电阻R3相连并接地，门电路二的控制端与控制器相连；储能电容C2的正端连接在限流电阻R2第二端与门电路二输入端之间；高速采样电路的同向偏压接直流电源，反向偏压接零电平，时钟源接5V/1Hz～5GHz时钟信号，信号采样输入端连接储能电容C2的正端，采样输出端与控制器数据接收端相连，高速采样电路使能端与控制器相连；控制器输出端与上位机相连。
3.根据权利要求2所述的一种脉冲激光雷达时间间隔的模-数测量电路，其特征在于所述储能电容的充放电过状态由控制器控制门电路一和门电路二实现，储能电容充放电过冲中电压信号由高速采样器采样，并传输给控制器，控制器根据采样数据获得储能电容充电时间的相关特征信息，并进一步处理传输到上位机实时显示时间间隔信息。
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