一种脉冲激光近程动态增益控制电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及脉冲激光测量技术领域，具体是一种脉冲激光近程动态增益控制电 路。
【背景技术】
[0002] 脉冲激光雷达通过测量激光脉冲的飞行时间来检测目标相对距离，在近程（几十 米范围）测量中，其单次的测量精度达到米级，然而作为一种可以快速获取目标准确距离 的有效手段，这个精度依旧不够，造成精度较差的主要原因是由于接收机电子系统的动态 范围的限制。脉冲激光雷达大都测量前方非合作目标，在近程测距情况下，由于目标的距 离、发射特性等均在大动态范围内变动，使得激光脉冲的回波功率发生剧烈变化。而为了保 证高精度的距离测量，回波接收电路必须严格工作在线性区，避免探测到的回波脉冲饱和 失真，同时，其输出的信号脉冲幅度需要稳定在一定的范围内，从而减小时刻鉴别带来的漂 移误差。
[0003] 在脉冲激光测距应用中，当激光脉冲回波功率大幅度变化时，实现激光雷达高精 度测距就需要在回波接收电路中引入AGC(自动增益控制）电路或STC(灵敏度时间控制） 电路，然而关于AGC或STC在激光雷达方面的应用研宄，目前并不是很成熟或者实现起来电 路比较复杂，开发难度大，比如AGC电路，典型方法是使用对数放大器，同时还要配合加法 和乘法运算电路。周强等人在论文《近距离脉冲激光探测接收和处理》中提出一种利用CPLD 实现的近程增益控制方法，测量范围为50~500米，但是精度较差，而且该方法中没有给出 50米以内近程的实现方式；胡春生在博士论文《脉冲半导体激光器高速三维成像激光雷达 研宄》中提出一种利用RC网络充放电的方式实现控制曲线的方法，实现了 30米以内增益控 制，由于RC网络充放电的特性，增益曲线的灵活性较差。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种脉冲激光近程动态增益控制电路，利用灵敏度时间控 制曲线（STC)来控制接收机中压控放大器的增益，使得近程回波接收电路输出的回波强度 保持在较大的测距范围内，从而保证测距精度在一定范围内维持不变。
[0005] 本发明的技术方案为：
[0006] 一种脉冲激光近程动态增益控制电路，用于脉冲激光测距接收机，所述接收机包 括压控放大器，该电路包括FPGA芯片和D/A转换器，所述FPGA芯片上设有ROM模块和STC 控制机模块；
[0007] 所述ROM模块，用于存储预先生成的电压控制信号与时间的关系曲线即灵敏度时 间控制曲线数据；
[0008] 所述STC控制机模块，用于在FPGA产生的窄脉冲信号的触发下读取ROM模块内存 储的灵敏度时间控制曲线数据，并将读取的数据输出至D/A转换器；
[0009] 所述D/A转换器，用于将灵敏度时间控制曲线数据进行D/A转换，并将转换得到的 模拟电压控制信号输出至压控放大器以控制其增益。
[0010] 所述的脉冲激光近程动态增益控制电路，该电路还包括低通滤波器，所述低通滤 波器用于对模拟电压控制信号进行平滑处理，其输入端连接D/A转换器的输出端，其输出 端连接压控放大器的电压控制信号输入端。
[0011] 所述的脉冲激光近程动态增益控制电路，所述压控放大器采用VCA810型芯片。
[0012] 与现有技术相比，本发明的优点在于只需要用预先生成的灵敏度时间控制曲线就 可以控制激光脉冲回波信号的幅值，使其保持在线性放大器可以处理的范围内，本发明可 以避免近程目标回波信号强度饱和，从而提高近程测距的精度，而且电路结构非常简单。
【附图说明】
[0013] 图1是本发明具体实施例的结构示意图；
[0014] 图2是本发明用于脉冲激光测距系统的原理框图；
[0015] 图3是用于脉冲激光测距接收机的压控放大器和中级放大器的具体示例结构图；
[0016] 图4是脉冲激光测距中回波信号强度与时间的关系曲线图；
[0017] 图5是电压控制信号与时间的关系曲线图；
[0018] 图6是VCA810的放大倍数与时间的关系曲线图；
[0019] 图7是经过VCA810处理后的回波信号强度与时间的关系曲线图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。
[0021] 如图1所示，一种脉冲激光近程动态增益控制电路，包括FPGA芯片11、高速D/A转 换器12和低通滤波器13, FPGA芯片11上设有STC控制机模块111和ROM模块112。STC 控制机模块111与ROM模块112交互式信号连接，STC控制机模块111的信号输出端连接 高速A/D转换器12的信号输入端，高速A/D转换器12的信号输出端连接低通滤波器13的 信号输入端，低通滤波器13的信号输出端连接压控放大器2的电压控制信号输入端。
[0022] 本发明的工作原理：
[0023] 如图2所示，脉冲激光测距系统包括处理机100、发射机200和接收机300,本发明 用于对接收机300中的压控放大器2进行增益控制，为便于描述，将本发明记为STC电路1。
[0024] 处理机100中的测量控制器与接收机300中的STC电路1共用一个FPGA芯片11。 测量控制器产生一束窄脉冲信号LDTRIG来触发发射机200产生脉冲激光，发射机200中的 PIN探测器获取激光飞行时间的起始时刻并送给处理机100中的计时电路；接收机300接 收返回的激光脉冲回波信号，经过前置放大器、压控放大器2和中级放大器3放大后送到时 刻鉴别电路，产生激光飞行时间终止时刻并送给处理机100中的计时电路，计时电路利用 起始时刻与终止时刻计算出激光飞行时间差从而计算出激光飞行距离。接收机300中的 STC电路1产生电压控制信号来控制压控放大器2的增益大小，从而保证激光脉冲回波信号 强度不会超出中级放大器3的线性处理范围。
[0025] STC电路1产生电压控制信号来控制压控放大器2的增益大小，具体过程为：
[0026] 测量控制器产生的窄脉冲信号LDTRIG触发发射机200产生脉冲激光的同时，启动 STC控制机111读取ROM模块112内存储的预先生成的电压控制信号与时间的关系曲线即 灵敏度时间控制曲线数据，并将读取的数据输出至高速D/A转换器12,高速D/A转换器12 输出模拟电压控制信号，经过低通滤波器13平滑后生成电压控制信号Vcon来控制接收机 300中压控放大器2的增益大小。
[0027] 压控放大器2由带电压控制端的可变增益放大器及其外围电阻网络构成，为了满 足纳秒级脉冲激光的需求，可变增益放大器要选用高带宽和高增益调节范围的放大器，如 VCA810等。VCA810的控制电压与放大倍数的关系为：
[0028] G = l〇-2(Vcon+1) (1)
[0029] 其中，Vcon表示电压控制信号，范围是[0，_2V] ;G表示放大倍数。
[0030] FPGA芯片11带片上ROM模块112,灵敏度时间控制曲线数据存储在ROM模块112 内，这样做的好处是片上运行速度非常高，便于高速D/A转换器12的数据更新。
[0031] 灵敏度时间控制曲线的获取方法，一是可以直接计算实测的激光脉冲回波信号与 距离的关系，然后计算出电压控制信号与距离（时间）的关系，这种方法比较繁琐。还有一 种简单的方法，利用以下雷达方程（2)，在matlab中生成回波信号强度与时间的关系曲线， 如图4所示，本发明主要针对近程控制，因此生成的曲线时间范围为Ons~400ns，对应的 距离范围为0~60m，对于时间所关心的曲线范围主要在30ns~300ns内；再利用matlab， 并结合控制的要求，生成所需要的三角斜波信号，如图5所示，利用三角斜波信号来控制 VCA810的增益。
【主权项】
1. 一种脉冲激光近程动态增益控制电路，用于脉冲激光测距接收机，所述接收机包括 压控放大器，其特征在于：该电路包括FPGA芯片和D/A转换器，所述FPGA芯片上设有ROM 模块和STC控制机模块； 所述ROM模块，用于存储预先生成的电压控制信号与时间的关系曲线即灵敏度时间控 制曲线数据； 所述STC控制机模块，用于在FPGA产生的窄脉冲信号的触发下读取ROM模块内存储的 灵敏度时间控制曲线数据，并将读取的数据输出至D/A转换器； 所述D/A转换器，用于将灵敏度时间控制曲线数据进行D/A转换，并将转换得到的模拟 电压控制信号输出至压控放大器以控制其增益。
2. 根据权利要求1所述的脉冲激光近程动态增益控制电路，其特征在于：该电路还包 括低通滤波器，所述低通滤波器用于对模拟电压控制信号进行平滑处理，其输入端连接D/A 转换器的输出端，其输出端连接压控放大器的电压控制信号输入端。
3. 根据权利要求1所述的脉冲激光近程动态增益控制电路，其特征在于：所述压控放 大器采用VCA810型芯片。
【专利摘要】本发明提供一种脉冲激光近程动态增益控制电路，用于脉冲激光测距接收机，所述接收机包括压控放大器，该电路包括FPGA芯片和D/A转换器，所述FPGA芯片上设有ROM模块和STC控制机模块，所述ROM模块与STC控制机模块交互式连接，所述STC控制机模块的输出端通过D/A转换器与压控放大器的输入端连接。本发明扩展了脉冲激光测距的动态范围，提高了测距精度，而且电路结构非常简单。
【IPC分类】G01S7-489
【公开号】CN104777471
【申请号】CN201510165757
【发明人】王少平, 梁华为, 陈向成, 许铁娟
【申请人】中国科学院合肥物质科学研究院
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年4月9日