CN114442109A - 基于收发阵列模组的大动态范围混合固态激光雷达*** - Google Patents

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Abstract

基于收发阵列模组的大动态范围混合固态激光雷达***，属于激光雷达技术领域。本发明包括发射***、收发一体光学***、一维扫描装置、探测***、信息处理***。本发明通过信号处理控制电路和增益控制模块使单个计时周期中增益电路的总放大倍数随时间的增加而增大，能够改善回波信号强度失真问题，增加测距动态范围。本发明采用由环形器、透镜组和光纤阵列组成的收发一体光学***以及一维扫描装置，能够实现光学***与APD探测器的分离，无需对焦，使得激光雷达结构简单紧凑，减小光机装调难度，易于实现。本发明通过在探测***中对线性APD阵列温度进行监测，对应调整APD的反偏电压，有效改善由于温度改变而导致的增益不稳定问题。

Description

基于收发阵列模组的大动态范围混合固态激光雷达***
技术领域
本发明涉及一种基于收发阵列模组的大动态范围混合固态激光雷达***，属于激光雷达技术领域。
背景技术
激光雷达是通过发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达***，工作在红外到紫外光谱段。激光雷达的发射***发射激光信号，经过目标物体反射或散射后，由接收***对该回波信号进行处理，完成测距与成像，具有抗干扰能力强、分辨率高等优点，广泛应用在自动驾驶领域。目前激光雷达的测距方法主要是飞行时间法，通过测量激光信号在激光雷达和目标物的飞行时间，根据飞行时间和光速确定位置。传统的激光雷达出射激光功率有限，当测量距离太近时，光信号太强，容易导致接收***输出信号输出饱和；当测量距离较远时，光信号太弱，容易导致接收***输出信号太弱，不利于下一步信号处理，动态范围有限。同时，传统的激光雷达由于考虑到光学***和探测器的聚焦问题，占用空间大，结构设计复杂，导致激光雷达体积庞大，光机装调难度大。
发明内容
为解决目前导航类激光雷达增益动态范围不足、结构复杂和光机装调难度大的问题，本发明的主要目的是提供一种基于收发阵列模组的大动态范围混合固态激光雷达***，基于收发阵列模组的混合固态激光雷达***实现大动态范围可靠稳定的测距和成像，且能够扩大增益动态范围。本发明具有简化激光雷达的结构、易于小型化、降低装调难度的优点。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明公开的基于收发阵列模组的大动态范围混合固态激光雷达***，包括发射***、收发一体光学***、一维扫描装置、探测***、信息处理***。
所述发射***用于阵列激光信号输出。所述发射***包括驱动电路、半导体阵列激光器、光束准直光学***、分光镜和光电探测模块。
所述收发一体光学***和一维扫描装置用于接收目标物反射的回波信号，所述的收发一体光学***包括光纤阵列和透镜组。所述光纤阵列中单个光纤根据***要求进行位置排列，通过调整光纤排列调整***预定位置的分辨率。所述的一维扫描装置优选一维振镜、MEMS镜或者棱镜。与传统的收发光学***相比，所述的收发一体光学***能够实现光学***与APD探测器的分离，无需对焦，使得激光雷达结构紧凑，减小装调难度，降低结构实现难度。
所述探测***用于将光信号转化为电信号。所述探测***包括APD探测器、温度补偿模块、高压反偏电路和保护电路。其中APD探测器可选为线阵APD、面阵APD或者多个单点APD探测器。APD探测器与收发一体光学***通过光纤完成耦合，能够降低对APD探测器空间排列要求，简化***结构，减小装调难度。所述温度补偿模块用于检测APD工作温度并输出相应信号调节高压反偏电路。APD的雪崩增益系数与所施加的反向偏置电压和工作温度密切相关，且雪崩增益与反向偏压正相关，与工作温度负相关。温度传感器放置在紧邻线性APD探测器的位置采集其工作温度，将温度信息转化为电信号传输给信息处理电路，同时信息处理电路采集高压反偏电路的电压，通过对APD温度、反偏电压的综合拟合计算，调整高压反偏电路给APD施加的反偏电压，从而稳定APD的雪崩增益。
所述信息处理***主要功能为：一是控制发射***信号的触发；二是放大探测***的探测信号，通过信号处理与控制电路和增益电路使得主放大电路的放大倍数随时间改变，能够有效改善回波信号强度失真问题，增加测距动态范围；三是用于飞行时间信息与点云处理。
所述信息处理***包括增益电路、时间处理电路、强度处理电路、信息处理控制电路、上位机。所述增益电路将探测***中APD输出的光电流信号转化为放大的电压信号，该电压信号分别传输给时间处理电路和强度处理电路，时间处理电路通过对该信号处理得到停止计时信号(stop信号)，传输给信息处理控制电路计算飞行时间，进一步确定探测目标的距离；强度处理电路对增益电路输出的电压信号进行峰值保持和采集，进一步传输给信息处理控制电路得到探测目标反射回波的强度信息。
所述信息处理控制电路产生与时间相关的周期信号，该信号在一个周期内随设定时间的变化而选通增益电路中主放大电路增益控制模块的不同通道，使增益电路的放大倍数在一个时间周期内随时间的变化而变化，能够有效改善回波信号强度失真问题，增加测距动态范围。
信息处理控制电路产生与时间相关的周期信号通过增益控制模块调整增益电路的放大倍数，有效改善回波信号强度失真问题，增加测距动态范围，实现方法如下：
由激光雷达方程与直接探测的测距原理可得到探测器的接收功率Pr，
Figure BDA0003417061830000021
其中，Ps为激光发射功率，TA为大气透射率，ρ为朗伯目标的反射系数，D为接收窗口径，ηt为发射光学***效率，ηr为接收光学***效率，c为光速，t为飞行时间。
经过增益电路后的输出信号U，
Figure BDA0003417061830000022
其中，Re为响应度，RF为跨阻放大倍数，Gt为主放大电路增益。
由公式(2)知，增益电路的输出信号会随时间的增加而减小，若增益恒定不变，当探测目标距离太远时，回波信号极小，在一定增益放大后也不能被后级电路检测到，限制***的探测距离；当探测目标距离太小时，回波信号极强，在增益电路中进行放大时超出放大电路的输出范围，出现饱和失真，造成回波信号强度失真，所述两种情况是造成激光雷达***动态范围不足的主要原因。
所述的信号处理控制电路进行周期为T的计时，根据混合固态激光雷达探测距离和成像要求将周期T划分为n个小时间段，时刻节点分别为t1，t2，t3，……，T，并在时刻节点分别为t1，t2，t3，……，T分别对应选通增益控制模块中模拟开关芯片相对应得电阻分压网络的通道X1，X2，X3，……，Xn，从而改变在单个计时周期中各时间节点对应的主放大电路的增益Gt，
Figure BDA0003417061830000031
单个计时周期中增益电路的总放大倍数也随时间的增加而增大，进而加大激光雷达的探测动态范围，使信号能不失真的由强度处理电路进行采集和处理。
本发明公开的基于收发阵列模组的大动态范围混合固态激光雷达***的工作方法为：
在接收处理***的控制下，发射***发射脉冲激光束，经由收发一体光学***和一维扫描装置后形成出射光照射到探测目标，经探测目标反射的信号光经由一维扫描装置和收发一体光学***后照射到探测***，探测***接收到带有探测目标信息的回波光信号并将其转化为微弱的电流信号，再经由接收处理***将微弱的电流信号转化为放大的电压信号，并进行时间测量和强度检测，强度处理电路得到的强度信号和时间处理电路得到的时间信息均传送到信号处理控制电路中进一步处理，最后由上位机进行点云处理与三维成像，即实现大动态范围可靠稳定的测距和成像。
有益效果：
1.本发明公开的基于收发阵列模组的混合固态激光雷达***，通过使用信号处理控制电路和增益控制模块使单个计时周期中增益电路的总放大倍数随时间的增加而增大，能够有效改善回波信号强度失真问题，增加测距动态范围，满足导航雷达需求。
2.本发明公开的基于收发阵列模组的混合固态激光雷达***，采用由环形器、透镜组和光纤阵列组成的收发一体光学***以及一维扫描装置，相比传统的收发光学***，能够实现光学***与APD探测器的分离，无需对焦，使得激光雷达结构简单紧凑，减小光机装调难度，易于实现。
3.本发明公开的基于收发阵列模组的混合固态激光雷达***，通过在探测***中对线性APD阵列温度进行监测，对应调整APD的反偏电压，有效改善由于温度改变而导致的增益不稳定问题。
附图说明
图1本发明的一种基于收发阵列模组的大动态范围混合固态激光雷达***框图；
图2对应图1中的发射***；
图3对应图1中的探测***；
图4对应图1中的信息处理***；
图5为增益恒定不变时在不同时间回波信号强度；
图6为增益恒定不变时出现的两种失真现象；
图7对应图4中的增益电路；
图8为主放大电路的增益随时间变化情况；
图9为增益经过调节后主放大电路输出信号强度。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例公开基于收发阵列模组的混合固态激光雷达***，包括发射***、收发一体光学***、一维扫描装置、探测***、信息处理***。
如图2所示，发射***用于阵列激光信号输出，包括驱动电路、半导体阵列激光器、光束准直光学***、分光镜和光电探测模块。信息处理***发送一定频率的触发信号，在驱动电路的作用下，半导体线性阵列激光器发射脉冲激光信号，通过光束准直***将激光准直为满足探测目标要求的发射角，分光镜将激光信号分为99.5∶0.5的两束激光，主光路激光信号照射向探测目标，本振光路激光信号照射到光电探测模块产生起始计时信号(start信号)。
收发一体光学***和一维扫描装置用于接收目标物反射的回波信号，收发一体光学***包括光纤阵列和透镜组，光纤阵列中单个光纤可以根据***要求进行特定位置排列，可通过调整光纤排列调整***特定位置的分辨率。一维扫描装置可以是一维振镜、MEMS镜或者棱镜。发射***输出的激光耦合在光纤阵列中，经过透镜组后经由一维扫描装置照射到探测目标上，此处一维扫描装置可以是一维振镜、MEMS镜或棱镜。带有探测目标信息的信号光经过一维扫描装置和透镜组后会聚在光纤阵列端面，再经由环形器照射在与光纤阵列耦合的线性APD阵列各个单元上。与传统的收发光学***相比，所述的收发一体光学***可以实现光学***与APD探测器的分离，无需对焦，使得激光雷达结构紧凑，减小装调难度，降低结构实现难度。
如图3所示，探测***用于将光信号转化为电信号。所述探测***包括APD探测器、温度补偿模块、高压反偏电路和保护电路。其中APD探测器可选为线阵APD、面阵APD或者多个单点APD探测器。APD探测器与收发一体光学***通过光纤完成耦合，可以降低对APD探测器空间排列要求，简化了***结构，减小了装调难度。所述温度补偿模块用于检测APD工作温度并输出相应信号调节高压反偏电路。APD的雪崩增益系数与所施加的反向偏置电压和工作温度密切相关，且雪崩增益与反向偏压正相关，与工作温度负相关。温度传感器放置在紧邻线性APD探测器的位置采集其工作温度，将温度信息转化为电信号传输给信息处理电路，同时信息处理电路采集高压反偏电路的电压，通过对APD温度、反偏电压的综合拟合计算，调整高压反偏电路给APD施加的反偏电压，从而稳定APD的雪崩增益。
如图4所示为信息处理***，信息处理***主要功能为：一是控制发射***信号的触发；二是放大探测***的探测信号，通过信号处理与控制电路和增益电路使得主放大电路的放大倍数随时间改变，能够有效改善回波信号强度失真问题，增加测距动态范围；三是用于飞行时间信息与点云处理。
信息处理***包括增益电路、时间处理电路、强度处理电路、信息处理控制电路、上位机。所述增益电路将探测***中APD输出的光电流信号转化为放大的电压信号，该电压信号分别传输给时间处理电路和强度处理电路，时间处理电路通过对该信号处理得到停止计时信号(stop信号)，传输给信息处理控制电路计算飞行时间，进一步确定探测目标的距离；强度处理电路对增益电路输出的电压信号进行峰值保持和采集，进一步传输给信息处理控制电路得到探测目标反射回波的强度信息。
信息处理控制电路产生与时间相关的周期信号，该信号在一个周期内随设定时间的变化而选通增益电路中主放大电路增益控制模块的不同通道，使增益电路的放大倍数在一个时间周期内随时间的变化而变化，能够有效改善回波信号强度失真问题，增加测距动态范围。
信息处理控制电路产生与时间相关的周期信号通过增益控制模块调整增益电路的放大倍数，有效改善回波信号强度失真问题，增加测距动态范围，实现方法如下：
由激光雷达方程与直接探测的测距原理可得到探测器的接收功率Pr，
Figure BDA0003417061830000051
其中，Ps为激光发射功率，TA为大气透射率，ρ为朗伯目标的反射系数，D为接收窗口径，ηt为发射光学***效率，ηr为接收光学***效率，c为光速，t为飞行时间。
经过增益电路后的输出信号U，
Figure BDA0003417061830000061
其中，Re为响应度，RF为跨阻放大倍数，Gt为主放大电路增益。
由公式(2)可知，增益电路的输出信号会随时间的增加而减小，如图5所示为增益恒定不变时在不同时间回波信号强度，当探测目标距离太远时，回波信号极小，在一定增益放大后也不能被后级电路检测到，限制了***的探测距离；当探测目标距离太小时，回波信号极强，在增益电路中进行放大时超出放大电路的输出范围，出现饱和失真，造成回波信号强度失真，如图6所示为增益恒定不变时出现的两种失真现象，这两种情况是造成激光雷达***动态范围不足的主要原因。
如图7所示为增益电路，包含跨阻放大电路、主放大电路和增益控制模块，信号处理控制电路进行周期为T的计时，根据混合固态激光雷达探测距离和成像要求将周期T划分为n个小时间段，时刻节点分别为t1，t2，t3，……，T，并在时刻节点分别为t1，t2，t3，……，T分别对应选通增益控制模块中模拟开关芯片相对应得电阻分压网络的通道X1，X2，X3，……，Xn，从而改变在单个计时周期中各时间节点对应的主放大电路的增益Gt，
Figure BDA0003417061830000062
如图8所示为主放大电路的增益Gt随时间变化情况，单个计时周期中增益电路的总放大倍数也随时间的增加而增大，进而加大激光雷达的探测动态范围，使信号能不失真的由强度处理电路进行采集和处理，如图9所示为调节增益后输出信号强度。
时间处理电路包括时刻鉴别电路和时间间隔测量模块。本***中的时刻鉴别方法采用前沿阈值比较法，该方法利于多通道高速比较电路的实现，且结构简单，在大大简化了多通道并行处理电路复杂度的同时易于缩小电路体积。前沿阈值比较法的具体工作原理为：选取一款高速比较器，设定特定的工作电压和参考电压，当同相输入端输入电压大于反向端的参考电压时，其输出电压发生跳变，输出的逻辑高电平接近于工作电压，低电平接近0V。时间间隔测量模块选用一款TDC-GPX2多通道时间间隔测量芯片或者FPGA时间测量IP核等其他时间测量模块，对时刻鉴别电路输出的电平信号进行采集和时间间隔计算。
本发明公开的一种基于收发阵列模组的混合固态激光雷达***的工作方法为：
在接收处理***的控制下，发射***发射脉冲激光束，经由收发一体光学***和一维扫描装置后形成出射光照射到探测目标，经探测目标反射的信号光经由一维扫描装置和收发一体光学***后照射到探测***，探测***接收到带有探测目标信息的回波光信号并将其转化为微弱的电流信号，再经由接收处理***将微弱的电流信号转化为放大的电压信号，并进行时间测量和强度检测，最终由信息处理控制电路处理过后将信息统一传输给上位机。
强度处理电路得到的强度信号和时间处理电路得到的时间信息均传送到信号处理控制电路中进一步处理，最后由上位机进行点云处理与三维成像。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于收发阵列模组的大动态范围混合固态激光雷达***，其特征在于：包括发射***、收发一体光学***、一维扫描装置、探测***、信息处理***；
所述发射***用于阵列激光信号输出；所述发射***包括驱动电路、半导体阵列激光器、光束准直光学***、分光镜和光电探测模块；
所述收发一体光学***和一维扫描装置用于接收目标物反射的回波信号，所述的收发一体光学***包括光纤阵列和透镜组；所述光纤阵列中单个光纤根据***要求进行位置排列，通过调整光纤排列调整***预定位置的分辨率；所述的一维扫描装置优选一维振镜、MEMS镜或者棱镜；与传统的收发光学***相比，所述的收发一体光学***能够实现光学***与APD探测器的分离，无需对焦，使得激光雷达结构紧凑，减小装调难度，降低结构实现难度；
所述探测***用于将光信号转化为电信号；所述探测***包括APD探测器、温度补偿模块、高压反偏电路和保护电路；APD探测器与收发一体光学***通过光纤完成耦合，能够降低对APD探测器空间排列要求，简化***结构，减小装调难度；所述温度补偿模块用于检测APD工作温度并输出相应信号调节高压反偏电路；APD的雪崩增益系数与所施加的反向偏置电压和工作温度密切相关，且雪崩增益与反向偏压正相关，与工作温度负相关；温度传感器放置在紧邻线性APD探测器的位置采集其工作温度，将温度信息转化为电信号传输给信息处理电路，同时信息处理电路采集高压反偏电路的电压，通过对APD温度、反偏电压的综合拟合计算，调整高压反偏电路给APD施加的反偏电压，从而稳定APD的雪崩增益；
所述信息处理***主要功能为：一是控制发射***信号的触发；二是放大探测***的探测信号，通过信号处理与控制电路和增益电路使得主放大电路的放大倍数随时间改变，能够有效改善回波信号强度失真问题，增加测距动态范围；三是用于飞行时间信息与点云处理；
所述信息处理***包括增益电路、时间处理电路、强度处理电路、信息处理控制电路、上位机；所述增益电路将探测***中APD输出的光电流信号转化为放大的电压信号，该电压信号分别传输给时间处理电路和强度处理电路，时间处理电路通过对该信号处理得到停止计时信号(stop信号)，传输给信息处理控制电路计算飞行时间，进一步确定探测目标的距离；强度处理电路对增益电路输出的电压信号进行峰值保持和采集，进一步传输给信息处理控制电路得到探测目标反射回波的强度信息；
所述信息处理控制电路产生与时间相关的周期信号，该信号在一个周期内随设定时间的变化而选通增益电路中主放大电路增益控制模块的不同通道，使增益电路的放大倍数在一个时间周期内随时间的变化而变化，能够有效改善回波信号强度失真问题，增加测距动态范围。
2.如权利要求1所述的基于收发阵列模组的大动态范围混合固态激光雷达***，其特征在于：信息处理控制电路产生与时间相关的周期信号通过增益控制模块调整增益电路的放大倍数，有效改善回波信号强度失真问题，增加测距动态范围，实现方法如下，
由激光雷达方程与直接探测的测距原理可得到探测器的接收功率Pr，
Figure FDA0003417061820000021
其中，Ps为激光发射功率，TA为大气透射率，ρ为朗伯目标的反射系数，D为接收窗口径，ηt为发射光学***效率，ηr为接收光学***效率，c为光速，t为飞行时间；
经过增益电路后的输出信号U，
Figure FDA0003417061820000022
其中，Re为响应度，RF为跨阻放大倍数，Gt为主放大电路增益；
由公式(2)知，增益电路的输出信号会随时间的增加而减小，若增益恒定不变，当探测目标距离太远时，回波信号极小，在一定增益放大后也不能被后级电路检测到，限制***的探测距离；当探测目标距离太小时，回波信号极强，在增益电路中进行放大时超出放大电路的输出范围，出现饱和失真，造成回波信号强度失真，所述两种情况是造成激光雷达***动态范围不足的主要原因；
所述的信号处理控制电路进行周期为T的计时，根据混合固态激光雷达探测距离和成像要求将周期T划分为n个小时间段，时刻节点分别为t1，t2，t3，……，T，并在时刻节点分别为t1，t2，t3，……，T分别对应选通增益控制模块中模拟开关芯片相对应得电阻分压网络的通道X1，X2，X3，……，Xn，从而改变在单个计时周期中各时间节点对应的主放大电路的增益Gt，
Figure FDA0003417061820000023
单个计时周期中增益电路的总放大倍数也随时间的增加而增大，进而加大激光雷达的探测动态范围，使信号能不失真的由强度处理电路进行采集和处理。
3.如权利要求1或2所述的基于收发阵列模组的大动态范围混合固态激光雷达***，其特征在于：在接收处理***的控制下，发射***发射脉冲激光束，经由收发一体光学***和一维扫描装置后形成出射光照射到探测目标，经探测目标反射的信号光经由一维扫描装置和收发一体光学***后照射到探测***，探测***接收到带有探测目标信息的回波光信号并将其转化为微弱的电流信号，再经由接收处理***将微弱的电流信号转化为放大的电压信号，并进行时间测量和强度检测，强度处理电路得到的强度信号和时间处理电路得到的时间信息均传送到信号处理控制电路中进一步处理，最后由上位机进行点云处理与三维成像，即实现大动态范围可靠稳定的测距和成像。
4.如权利要求3所述的基于收发阵列模组的大动态范围混合固态激光雷达***，其特征在于：APD探测器选为线阵APD、面阵APD或者多个单点APD探测器。
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