本发明涉及激光测量技术领域，特别涉及一种时刻鉴别电路系统，可用于激光雷达、激光引信、激光制导等具体领域。
背景技术
脉冲激光测距技术是通过使用激光脉冲光束对远距离目标进行非接触式测量，通过测量激光脉冲的飞行时间(timeofflight，简称tof)获得距离信息。其一般工作过程是：将激光器产生起始脉冲的时间确定为飞行时间的起始时刻(记为tstart)；激光器产生的结束脉冲被雪崩光电二极管探测到并转换为光电信号，对该光电信号进行信号放大处理后，将其输入到时刻鉴别电路中，转换成数字逻辑电平信号，该数字逻辑电平信号的后沿被确定为飞行时间的结束时刻(记为tstop)，然后计算tstop与tstart之间的差值(tstop-tstart)，将该差值作为激光脉冲在被测距离中的飞行时间。因此，只要能够精确地确定飞行时间的起始时刻和结束时刻，就可实现高精度的激光测距。
但是在实际工作中，激光脉冲容易受到大气衰减和目标散射特性等干扰因素的影响，使得接收到的回波脉冲在形状和幅度上可能与发射脉冲具有很大的不同。另外，输入噪声可能引起时间抖动，这也会给测量造成误差。因此，研究高精度的时刻鉴别技术以达到有效抑制漂移误差以及时间抖动的目的，是提高定距精度的一个关键因素。
目前，在激光测距领域中用于时刻鉴别的技术主要有前沿时刻鉴别法、恒比定时时刻鉴别法、恒比定比时刻鉴别法等方法。但是这些传统方法都存在较明显的缺点。例如，前沿时刻鉴别法是通过固定阈值的方式确定脉冲时间的起止时刻,其中脉冲形状和幅度的变化会引起与阈值的设置、接收带宽等因素有关的漂移误差，而时间游动误差也可能较大，接近脉冲的上升时间。恒比定时时刻鉴别法将回波信号分两路分别进行延时和衰减进入高速比较器的正负极来捕捉信号跳变，可以减小因激光脉冲信号幅度变化引起的时间鉴别误差；但是其中在延时信号到来之前，衰减信号与延时信号幅度相当，这样容易导致高速比较器输出不稳定甚至发生振荡；而且该方法通常需要加入偏置电路来保证两路信号在比较时刻前互不相等，这也增加了电路的复杂性。恒比定比时刻鉴别法适用于上升时间相同但幅度不同的脉冲信号，而对于脉冲信号幅度不同且上升时间也不同的情况，也会存在一定的误差。
因此，在激光测距领域中有必要提供一种更完善的时刻鉴别电路系统，实现高精度的时刻鉴别，并且避免上述传统方法存在的缺点。
技术实现要素：
2.为了解决上述传统方法存在的问题，本发明提供了一种时刻鉴别电路系统，其能够有效地提高时间飞行法类激光雷达的定距精度，可以应用于激光雷达、激光引信、激光制导等具体领域。
根据本发明的实施方式，提供了一种时刻鉴别电路系统，所述时刻鉴别电路系统包括脉冲接收单元、高通容阻单元、信号放大单元、主比较器单元、以及电平转换单元；所述脉冲接收单元与所述高通容阻单元、所述信号放大单元、所述主比较器单元及所述电平转换单元依次电性连接；所述脉冲接收单元用于接收测距激光脉冲的激光回波脉冲信号，并将所述激光回波脉冲信号转换为单极性的脉冲信号；所述高通容阻单元用于将所述单极性的脉冲信号转换为双极性信号，所述单极性的脉冲信号的极值点被转换为所述双极性信号的零点并被用作计时时刻点；所述信号放大单元用于对所述双极性信号进行放大；所述主比较器单元用于基于经过放大的所述双极性信号捕捉时刻跳变点并产生主输出信号，所述电平转换单元用于基于所述主比较器单元产生的主输出信号产生及输出用于触发激光测距的计时停止时间的计时脉冲。
优选地，所述高通容阻单元包括高通滤波电容和高通滤波电阻，所述高通滤波电容的一个极板用作所述高通容阻单元的输入端，用于接收由所述脉冲接收单元产生的单极性脉冲信号；所述高通滤波电容的另一个极板用作所述高通容阻单元的输出端，与所述信号放大单元电性连接；所述高通滤波电阻一端连接在所述高通滤波电容用作所述高通容阻单元的输出端的极板和地之间，使高通滤波电容和高通滤波电阻构成高通滤波器电路。
优选地，所述信号放大单元包括用于对所述双极性信号进行放大的放大器电路、以及设置在所述高通容阻单元的输出端与所述放大器电路的输入端之间，用于在放大所述双极性信号之前进一步滤除所述双极性信号中的噪声的次级滤波电路。
优选地，所述主比较器单元包括用于基于经过放大的所述双极性信号捕捉时刻跳变点并产生主输出信号的主比较器，所述主比较器为max9601双路高速比较器，所述主比较器的同相输入端与所述信号放大单元电性连接，用于接收由所述信号放大单元进行放大后的双极性信号，所述主比较器的反相输入端接地。
优选地，所述时刻鉴别电路系统还包括预鉴别单元和脉冲展宽单元，所述脉冲接收单元还与所述预鉴别单元电性连接，所述预鉴别单元与所述脉冲展宽单元电性连接，所述脉冲展宽单元与所述主比较器单元电性连接；所述预鉴别单元用于在预设的预鉴别时间范围内，基于从所述脉冲接收单元接收到的所述单极性的脉冲信号产生预鉴别输出信号；所述脉冲展宽单元用于基于所述预鉴别输出信号对时刻跳变点信号进行脉冲展宽，以及生成选通使能信号并将所述选通使能信号传输至所述主比较器以选通使能所述主比较器。
优选地，所述预鉴别单元包括用于在预设的预鉴别时间范围内，基于从所述脉冲接收单元接收到的所述单极性的脉冲信号产生预鉴别输出信号的预鉴别比较器，所述预鉴别比较器为max9601双路高速比较器，所述预鉴别比较器的同相输入端与所述脉冲接收单元电性连接，用于接收由所述脉冲接收单元产生的单极性脉冲信号；所述预鉴别比较器的反相输入端和锁存控制端都与预设的工作电源电性连接，用于对所述预鉴别比较器进行选通使能。
优选地，所述脉冲展宽单元包括用于对时刻跳变点信号进行脉冲展宽的脉冲展宽触发器，所述脉冲展宽触发器为lvpecl电平d触发器mc100ep51dg，所述预鉴别比较器的输出端电性连接到所述脉冲展宽触发器的输入端，所述脉冲展宽触发器的输出端电性连接到所述主比较器的锁存控制端，用于选通使能所述主比较器。
优选地，所述电平转换单元包括用于基于所述主比较器单元产生的主输出信号产生及输出用于触发激光测距的计时停止时间的计时脉冲的电平转换触发器，所述电平转换触发器为lvpecl电平d触发器mc100ept21dg，所述主比较器的输出端电性连接到所述电平转换触发器的输入端，所述电平转换触发器的两个输出端用于输出所述计时脉冲。
优选地，所述电平转换触发器的输入端还连接到所述脉冲展宽触发器的输出端，从而通过脉冲展宽触发器的输出来控制所述电平转换触发器的工作。
优选地，所述时刻鉴别电路系统还包括用于调节工作参数的多个分压电路和多个rc延时电路。
本发明提供的时刻鉴别电路系统可以取得以下的有益技术效果：1.由于激光脉冲经过传输和反射后，脉冲的幅值会改变，但脉冲峰值点的时刻不变，因此为了消除单一阈值脉冲时刻带来的误差，本发明的提供的时刻鉴别电路系统采用高通容阻鉴别法将单极性脉冲信号的钟形脉冲通过微分变成近似正弦波(即双极性信号)，原先的钟形脉冲的极值点变为双极性信号的零点并被用作计时时刻点，这样其工作就不会受到激光脉冲幅值的影响。2.传统的高通容值鉴别法的另一个缺点是信号幅度会出现衰减，因此本发明的提供的时刻鉴别电路系统还在高通容阻滤波处理后通过信号放大单元对信号进行放大，再将放大后的信号输入高速比较器，有效地克服了衰减。该技术方案既简化了电路结构，也能够控制漂移误差。3.通过预鉴别单元产生选通脉冲，控制高速比较器使能，可以避免噪声或者干扰信号引起的误触发。
附图说明
图1示出了本发明的一个实施方式提供的时刻鉴别电路系统的示意性的结构方框图。
图2示出了图1所示的时刻鉴别电路系统中的高通容阻单元、信号放大单元、预鉴别单元、脉冲展宽单元、比较器单元和电平转换单元的电路示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图结合实施例，对本发明进一步详细说明。
请参阅图1，本发明的一个实施方式提供一种时刻鉴别电路系统100，其能够应用于激光测量技术领域，例如激光雷达、激光引信、激光制导等具体领域中。所述时刻鉴别电路系统100包括脉冲接收单元10、高通容阻单元20、信号放大单元30、预鉴别单元40、脉冲展宽单元50、主比较器单元60、以及电平转换单元70。脉冲接收单元10与高通容阻单元20和预鉴别单元40电性连接，高通容阻单元20通过信号放大单元30电性连接到主比较器单元60，预鉴别单元40通过脉冲展宽单元50电性连接到主比较器单元60。主比较器单元60还与电平转换单元70电性连接。
所述脉冲接收单元10可以是激光测距技术领域中常用的各种脉冲接收装置，用于接收测距激光脉冲的激光回波脉冲信号，并将所述激光回波脉冲信号转换为单极性的电脉冲信号。所述脉冲接收单元10的具体结构和工作原理都可以采用本领域的现有技术，因此这里无需赘述。
请一并参阅图2，所述高通容阻单元20可以包括高通滤波电容c1和高通滤波电阻r1，所述高通滤波电容c1的一个极板用作所述高通容阻单元20的输入端，与所述脉冲接收单元10的输出端口电性连接，用于接收由所述脉冲接收单元产生的单极性脉冲信号(即图2中的vin)；所述高通滤波电容c1的另一个极板用作所述高通容阻单元20的输出端，与所述信号放大单元30电性连接；所述高通滤波电阻r1一端连接在所述高通滤波电容c1用作所述高通容阻单元20的输出端的极板和地之间。这样，高通滤波电容c1和高通滤波电阻r1即可构成高通滤波器电路，单极性脉冲信号从所述高通容阻单元20的输入端输入后，经过高通滤波处理，从所述高通容阻单元20的输出端输出到所述信号放大单元30。
所述信号放大单元30可以包括放大器电路31，该放大器电路31可以是激光测距技术领域中常用的各种放大器电路，其具体结构和工作原理都可以采用本领域的现有技术，因此这里无需赘述。从所述高通容阻单元20传输过来的经过滤波的脉冲信号可以受到所述信号放大单元30的放大处理，使其信号幅度依照预定比例进行增大，然后信号放大单元30再将放大后的脉冲信号发送到比较器单元60。为了在对脉冲信号进行放大处理前尽可能充分地去除其中的噪声干扰，在本实施方式中，所述信号放大单元30还可以包括设置在所述高通容阻单元20的输出端与所述放大器电路31的输入端之间，用于在放大所述双极性信号之前进一步滤除所述双极性信号中的噪声的次级滤波电路，该次级滤波电路可以包括滤波电容c2和滤波电阻r2，其具体连接方式与所述滤波电容c1和滤波电阻r1的连接方式类似。
所述预鉴别单元40包括预鉴别比较器41，该预鉴别比较器41可以是激光测距技术领域中常用的各种比较器模块，例如maxim公司出品的max9601双路高速比较器，其具体结构和工作原理都可以采用本领域的现有技术，因此这里无需赘述。该预鉴别比较器41的同相输入端与所述脉冲接收单元10的输出端口电性连接，用于接收由所述脉冲接收单元产生的单极性脉冲信号(即图2中的vin)；该预鉴别比较器41的反相输入端和锁存控制端le、/le都与预设的工作电源vcc电性连接，用于对所述预鉴别比较器41进行选通使能；为了确保工作中预鉴别操作的参数(例如选通电压)处于理想的范围内，在本实施方式中，所述预鉴别单元40还可以包括用于通过分压方式设置预鉴别参数的第一分压电路和用于通过分压方式提供正射极耦合逻辑(positiveemittercoupledlogic,pecl)所需电平标准的第二分压电路，第一分压电路由串联在所述工作电源端vcc和地之间的分压电阻r8、r9组成，所述预鉴别比较器41的反相输入端连接到所述分压电阻r8、r9之间；第二分压电路由串联在所述工作电源端vcc和地之间的分压电阻r19、r20、r21组成，所述预鉴别比较器42的锁存控制端le和/le分别连接到分压电阻r19与r20之间以及分压电阻r20与r21之间。
所述脉冲展宽单元50可以包括脉冲展宽触发器51，用于对时刻跳变点信号进行脉冲展宽。该脉冲展宽触发器51的型号可以是例如lvpecl电平d触发器mc100ep51dg。所述预鉴别比较器40的两个输出端分别电性连接到该脉冲展宽触发器51的两个输入端clk、/clk，该脉冲展宽触发器51的两个输出端q、/q则电性连接到所述比较器单元60，用于选通使能所述比较器单元60。另外，为了确保工作中预鉴别操作的参数(例如选通电压)和脉冲展宽操作的参数(例如脉冲展宽宽度)处于理想的范围内，所述脉冲展宽单元50还可以包括由pecl端接电阻r10、r11、r12、r13、r15、r16、r17、r18，以及延时电阻r14和延时电容c4；所述pecl端接电阻r10及r11、r12及r13、r15及r16、r17及r18分别两两地串接在工作电源vcc和地之间，构成第三至第六分压电路，该脉冲展宽触发器51的输入端clk电性连接到所述pecl端接电阻r10及r11之间，输入端/clk电性连接到所述pecl端接电阻r12及r13之间，输出端q电性连接到所述pecl端接电阻r15及r16之间，输出端/q电性连接到所述pecl端接电阻r17及r18之间，从而可以通过所述第三至第六分压电路分别调整该脉冲展宽触发器51的输入端和输出端的电压；所述延时电阻r14和延时电容c4依次串联在该脉冲展宽触发器51的输出端q和地之间形成第一rc延时电路，可以控制该脉冲展宽触发器51的复位，实现脉冲展宽。
所述主比较器单元60可以包括主比较器61，该主比较器61可以是激光测距技术领域中常用的各种比较器模块，例如maxim公司出品的max9601双路高速比较器，其具体结构和工作原理都可以采用本领域的现有技术，因此这里无需赘述。该主比较器61的同相输入端与所述信号放大单元30的输出端电性连接，可以接收由所述信号放大单元30进行放大处理后的双极性信号；该主比较器61的反相输入端接地；该主比较器61的锁存控制端le和/le分别与所述脉冲展宽触发器51的两个输出端电性连接，使得通过脉冲展宽单元51能够发送pecl电脉冲选通使能所述主比较器61；所述主比较器61的两个输出端qa、/qa电性连接到所述电平转换单元70，给所述电平转换单元70提供输入。
所述电平转换单元70可以包括电平转换触发器71，该电平转换触发器71的型号可以是例如lvpecl电平d触发器mc100ept21dg。主比较器61的两个输出端qa、/qa分别电性连接到该电平转换触发器71的两个输入端clk、/clk，该电平转换触发器71的两个输出端q、/q用于输出计时脉冲，所述计时脉冲即可用来触发激光测距的计时停止时间。另外，为了确保该电平转换触发器71的工作参数(例如输入电平、输出计时脉冲的宽度等)处于理想的范围内，所述脉冲展宽单元50还可以包括由pecl端接电阻r3、r4、r5、r6，以及延时电阻r7和延时电容c3；所述pecl端接电阻r3及r4、r5及r6分别两两地串接在工作电源vcc和地之间，构成第七和第八分压电路，该电平转换触发器71的输入端clk电性连接到所述pecl端接电阻r3及r4之间，输入端/clk电性连接到所述pecl端接电阻r5及r6之间从而可以通过所述第七和第八分压电路分别调整该电平转换触发器71的两个输入端clk、/clk的电压；所述延时电阻r7和延时电容c3依次串联在该电平转换触发器71的输出端q和地之间形成第二rc延时电路，可以控制该该电平转换触发器71的复位，调整其输出的计时脉冲的宽度。另外，该电平转换触发器71的另一个输入端d还可以连接到脉冲展宽触发器51的输出端q，从而通过脉冲展宽触发器51的输出来控制电平转换触发器71的工作。
下面简述所述时刻鉴别电路系统100的工作过程。首先，所述脉冲接收单元10接收测距激光脉冲的激光回波脉冲信号，并将所述激光回波脉冲信号转换为单极性的电脉冲信号，优选为钟形脉冲信号。由所述脉冲接收单元10产生的单极性脉冲信号分别传输到高通容阻单元20和预鉴别单元40。
传输到高通容阻单元20的单极性脉冲信号经过高通容阻单元20进行滤波以去除噪声。在特别优选的实施方式中，若是所述单极性脉冲信号为钟形脉冲信号，当其通过该高通容阻单元20时还会产生如下的变化：由于所述高通容阻单元20产生的微分效应，所述钟形脉冲信号将会变为近似正弦波的信号(即双极性信号)，原来的钟形脉冲信号的极值点则变为近似正弦波的双极性信号的零点。该零点可用作计时时刻点，这样计时时刻就不会受到原来的钟形脉冲信号的幅值的影响，使得计时更加精确，可以有效地消除单一阈值脉冲时刻带来的误差。由所述高通容阻单元20滤除噪声及转换波形后的双极性信号被传输到所述信号放大单元30，受到所述信号放大单元30的放大处理，使其信号幅度依照预定比例进行增大，然后信号放大单元30再将放大后的双极性信号发送到比较器单元60的同相输入端。
一般情况下，预鉴别单元40的预鉴别比较器41处于关断状态，仅有在预设的预鉴别时间范围内，在其同相输入端从所述脉冲接收单元10接收到所述单极性脉冲信号时(也就是所述单极性脉冲信号通过所述高通容阻单元20的同时)才开始工作，在所述工作电源vcc以及第一和第二分压电路的协同作用下，基于接收到的单极性脉冲信号产生两路预鉴别输出信号，分别提供给脉冲展宽触发器51的两个输入端clk、/clk。所述脉冲展宽触发器51接收到所述预鉴别比较器41产生的预鉴别输出信号之后，在所述工作电源vcc、第三至第六分压电路以及第一rc延时电路的协同作用下，屏蔽系统噪声，对时刻跳变点信号进行脉冲展宽后生成两路pecl电脉冲信号用作选通使能信号，将所述选通使能信号传输至所述主比较器61的锁存控制端le和/le，用于选通使能所述主比较器61。在本实施方式的主比较器61中，当le为pecl低电平，/le为pecl高电平时，主比较器61处于比较模式，当le为pecl高电平，/le为pecl低电平时，主比较器61处于锁存模式。
当主比较器61被选通到比较模式时，其通过同相输入端从信号放大单元30接收放大后的双极性信号，基于放大后的双极性信号捕捉时刻跳变点，进行比较后产生两路lvpecl输出信号作为主输出信号，通过两个输出端qa、/qa将所述两路主输出信号分别传输到该电平转换触发器71的两个输入端clk、/clk。所述电平转换触发器71，优选地在通过其输入端d接收到来自脉冲展宽触发器51输出的选通信号(例如预设的pecl电平信号)之后，在所述工作电源vcc、第七及第八分压电路以及第二rc延时电路的协同作用下，基于所述两路主输出信号生成两路lvttl输出信号，分别从两个输出端q、/q输出作为计时脉冲，所述计时脉冲即可用来触发激光测距的计时停止时间。上述采用lvpecl电路与lvttl电路结合的方案可以达到减小边沿抖动的目的。其中pecl信号优选采用超高速pecl信号，其抖动误差不超过50ps，漂移误差不超过100ps。
依照上述的实施方式，本发明提供的时刻鉴别电路系统可以取得以下的有益技术效果：1.由于激光脉冲经过传输和反射后，脉冲的幅值会改变，但脉冲峰值点的时刻不变，因此为了消除单一阈值脉冲时刻带来的误差，本发明的提供的时刻鉴别电路系统采用高通容阻鉴别法将单极性脉冲信号的钟形脉冲通过微分变成近似正弦波(即双极性信号)，原先的钟形脉冲的极值点变为双极性信号的零点并被用作计时时刻点，这样其工作就不会受到激光脉冲幅值的影响。2.传统的高通容值鉴别法的另一个缺点是信号幅度会出现衰减，因此本发明的提供的时刻鉴别电路系统还在高通容阻滤波处理后通过信号放大单元对信号进行放大，再将放大后的信号输入高速比较器，有效地克服了衰减。该技术方案既简化了电路结构，也能够控制漂移误差。3.通过预鉴别单元产生选通脉冲，控制高速比较器使能，可以避免噪声或者干扰信号引起的误触发。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和结构图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，结构图和/或流程图中的每个方框、以及结构图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块或单元可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或更多个模块集成形成一个独立的部分。
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是智能手机、个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明保护的范围之内。