一种激光雷达脉冲光信号接收探测系统的制作方法

1.本技术涉及激光技术领域，具体而言，涉及一种激光雷达脉冲光信号接收探测系统。


背景技术：

2.现有的针对激光脉冲信号进行探测的系统，通常会设置数字可调增益电路或模拟可调增益电路，从而能够在脉冲激光信号光功率过大时调节电路增益，使得电脉冲信号幅值不至于过大，进而导致饱和失真、脉冲展宽的情况发生。然而，在实践中发现，现有的这种系统通常会具有较大的误差，并且不适用于复杂的建筑测量环境场景当中。


技术实现要素：

3.本技术实施例的目的在于提供一种激光雷达脉冲光信号接收探测系统，能够降低测量误差，并且能够适用于复杂的建筑测量环境场景当中。
4.本技术实施例提供了一种激光雷达脉冲光信号接收探测系统，该激光雷达脉冲光信号接收探测系统包括激光雷达测控芯片、激光发射器、接收分配单元、第一信号处理单元、第二信号处理单元，其中，
5.所述激光雷达测控芯片与所述激光发射器相连接，用于控制所述激光发射器发射激光脉冲；
6.所述接收分配单元用于接收与所述激光脉冲相对应的雷达脉冲光信号；
7.所述第一信号处理单元与所述接收分配单元相连接，用于对所述雷达脉冲光信号进行处理，得到第一处理信号；
8.所述第二信号处理单元与所述接收分配单元相连接，用于对所述雷达脉冲光信号进行处理，得到第二处理信号；
9.所述激光雷达测控芯片分别与所述第一信号处理单元和所述第二信号处理单元相连接，还用于根据所述第一处理信号、所述第二处理信号生成脉冲探测结果。
10.在上述实现过程中，该种激光雷达脉冲光信号接收探测系统能够通过双路信号处理来精确识别探测信号，并通过其他组件的协同工作下提高对雷达脉冲光信号的探测精度。
11.进一步地，所述接收分配单元包括脉冲光接收器和光路分配器，其中，
12.所述脉冲光接收器，用于接收与所述激光脉冲相对应的雷达脉冲光信号；
13.所述光路分配器与所述脉冲光接收器相连接，用于对所述雷达脉冲光进行光路分配，得到第一激光脉冲和第二激光脉冲。
14.在上述实现过程中，接收分配单元能够有效的对雷达脉冲光信号尽心光接收与分配，从而使得后续电路可以对相同的第一激光脉冲和第二激光脉冲进行同时处理。
15.进一步地，所述脉冲光接收器包括通过光路连接的接收光学镜片、接收结构以及光纤连接座，其中，
16.所述接收结构设置于所述接收光学镜片的焦点位置，用于接收与所述激光脉冲相对应的雷达脉冲光信号；
17.所述光纤连接座与所述接收结构相连接，用于传输与所述激光脉冲相对应的雷达脉冲光信号。
18.在上述实现过程中，脉冲光接收器可以通过多个光学装置将雷达脉冲光信号进行处理，以使雷达脉冲光信号可以通过光纤进行传输，以便于后续的信号处理。
19.进一步地，所述第一信号处理单元包括光路延时器、可调光衰减器、第一光电转换器、第一信号放大器、第二信号放大器以及射频连接座，其中，
20.所述光路延时器与所述光路分配器相连接，用于对所述第一激光脉冲进行延时，得到第一延时脉冲；
21.所述可调光衰减器与所述光路延时器相连接，用于对所述第一延时脉冲进行光衰减处理，得到第一处理脉冲；
22.所述第一光电转换器与所述可调光衰减器相连接，用于对所述第一处理脉冲进行光电转换处理，得到第一电信号；
23.所述第一信号放大器与所述第一光电转换器相连接，用于对所述第一电信号进行信号放大，得到第一放大电信号；
24.所述第二信号放大器与所述第一信号放大器相连接，用于对所述放大电信号进行信号放大，得到第一处理电信号；
25.所述射频连接座一端与所述第二信号放大器相连接，另一端与所述激光雷达测控芯片射频连接，用于传输所述第一处理电信号至所述激光雷达测控芯片。
26.在上述实现过程中，所述第一信号处理单元能够对雷达脉冲光信号进行第一次处理，得到第一处理结果，以使激光雷达测控芯片能够获取第一处理结果。
27.进一步地，所述激光雷达测控芯片与所述第一光电转换器相连接，用于接收所述第一电信号；所述激光雷达测控芯片与所述第一信号放大器相连接，用于接收第一放大电信号。
28.在上述实现过程中，第一光电转换器和第一信号放大器都可以激光雷达测控芯片相连接，并且能够传输第一电信号和第一放大电信号至激光雷达测控芯片，以使激光雷达测控芯片根据第一电信号、第一放大电信号、第一处理信号以及第二处理信号生成更加准确的脉冲探测结果。
29.进一步地，所述第一信号放大器包括相互连接的第一跨阻放大器和数字可变增益放大器，用于通过所述第一跨阻放大器和所述数字可变增益放大器对所述第一电信号进行信号放大，得到第一放大电信号；
30.所述第二信号放大器包括相互连接的固定增益射频信号放大器和第一输出缓冲运算放大器，用于通过所述固定增益射频信号放大器和所述第一输出缓冲运算放大器对所述放大电信号进行信号放大，得到第一处理电信号。
31.在上述实现过程中，第一信号放大器能够通过第一跨阻放大器和数字可变增益放大器进行信号放大处理，得到第一放大信号；第二信号放大器能够通过固定增益射频信号放大器和第一输出缓冲运算放大器进行信号放大处理，得到第一处理电信号。
32.进一步地，所述第二信号处理单元包括第二光电转换器、第三信号放大器、比较与
逻辑器件、脉冲信号处理器，其中，
33.所述第二光电转换器与所述光路分配器相连接，用于对所述第二激光脉冲进行光电转换，得到第二电信号；
34.所述第三信号放大器与所述第二光电转换器相连接，用于对所述第二电信号进行放大，得到第二放大电信号；
35.所述比较与逻辑器件与所述第三信号放大器和所述激光雷达测控芯片两者相连接，用于对所述第二放大电信号进行逻辑比较，得到逻辑比较信号，并传输所述逻辑比较信号至所述激光雷达测控芯片；
36.所述脉冲信号处理器与所述比较与逻辑器件、所述激光雷达测控芯片以及所述可调光衰减器三者相连接，用于对所述逻辑比较信号进行处理，得到第二处理信号，并分别传输所述第二处理信号至所述激光雷达测控芯片和所述可调光衰减器。
37.在上述实现过程中，所述第二信号处理单元能够对第二激光脉冲进行第二路光脉冲处理，以使第二处理结果能够和第一处理结果共同确定脉冲探测结果，从而提高脉冲探测结果的获取准确性；同时，脉冲信号处理器能够将逻辑比较信号传输至可调光衰减器，以使可调光衰减器能够实时进行调节，从而提高第一信号处理单元的处理效果，提高整体探测的效率与精度。
38.进一步地，所述比较与逻辑器件包括第一比较器、第二比较器以及逻辑或门电路单元，其中，
39.所述第一比较器的输入端与第二比较器的输入端相连接；
40.所述逻辑或门电路单元分别与所述第一比较器的输出端与第二比较器的输出端两者相连接，用于对所述第二放大电信号的双路输入信号进行逻辑比较，得到逻辑比较信号。
41.在上述实现过程中，比较与逻辑器件能够通过第一比较器、第二比较器以及逻辑或门电路单元进行双路信号间的逻辑比较，从而得到具有高针对性的逻辑比较信号，进而能够提高整体探测系统的探测精度。
42.进一步地，所述脉冲信号处理器包括运算放大器、阻容电路网络与电源偏置电路单元、二极管与电容电路单元、mos开关电路单元、电压输出无源滤波网络电路单元以及逻辑延时电路单元，其中，
43.所述运算放大器与所述比较与逻辑器件相连接，用于对所述逻辑比较信号进行放大处理，得到第一中间信号；
44.所述阻容电路网络与电源偏置电路单元的输入端与所述运算放大器的输出端相连接，用于对所述第一中间信号进行电源偏置处理，得到第二中间信号；
45.所述二极管与电容电路单元的输入端与所述阻容电路网络与电源偏置电路单元的输出端相连接，用于传输所述第二中间信号；
46.所述mos开关电路单元的输入端与所述二极管与电容电路单元的输出端相连接，用于传输所述第二中间信号；
47.所述逻辑延时电路单元的输入端与所述mos开关电路单元的输出端相连接，用于对所述第二中间信号进行延时处理，得到第三中间信号；
48.所述电压输出无源滤波网络电路单元的输入端分别与所述二极管与电容电路单
元的输出端和所述逻辑延时电路单元的输出端相连接，用于对所述第二中间信号和所述第三中间信号进行处理，得到第二处理信号。
49.在上述实现过程中，脉冲信号处理器能够通过运算放大器、阻容电路网络与电源偏置电路单元、二极管与电容电路单元、mos开关电路单元、电压输出无源滤波网络电路单元以及逻辑延时电路单元实现对逻辑比较信号的处理，得到有效的第二处理信号。
50.进一步地，所述第三信号放大器包括相互连接的第二跨阻放大器和第二输出缓冲运算放大器，用于通过所述第二跨阻放大器和所述第二输出缓冲运算放大器对所述第二电信号进行放大，得到第二放大电信号。
51.在上述实现过程中，第三信号放大器能够通过相互连接的第二跨阻放大器和第二输出缓冲运算放大器对第二点电信号进行放大处理，得到第二放大电信号。
附图说明
52.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
53.图1为本技术实施例提供的一种激光雷达脉冲光信号接收探测系统的结构示意图；
54.图2为本技术实施例提供的另一种激光雷达脉冲光信号接收探测系统的结构示意图；
55.图3为本技术实施例提供的一种第一信号放大器的结构示意图；
56.图4为本技术实施例提供的一种第二信号放大器的结构示意图；
57.图5为本技术实施例提供的一种第三信号放大器的结构示意图；
58.图6为本技术实施例提供的一种比较与逻辑器件的结构示意图；
59.图7为本技术实施例提供的一种脉冲信号处理器的结构示意图；
60.图8为本技术实施例提供的一种脉冲光接收器的结构示意图；
61.图9为本技术实施例提供的一种脉冲信号逻辑控制时序关系图。
62.图标：100-激光发射器；200-激光雷达测控芯片；300-第一信号处理单元；310-光路延时器；320-可调光衰减器；330-第一光电转换器；340-第一信号放大器；341-第一跨阻放大器；342-数字可变增益放大器；350-第二信号放大器；351-固定增益射频信号放大器；352-第一输出缓冲运算放大器；360-射频连接座；400-第二信号处理单元；410-第二光电转换器；420-第三信号放大器；421-第二跨阻放大器；422-第二输出缓冲运算放大器；430-比较与逻辑器件；431-第一比较器；432-第二比较器；433-逻辑或门电路单元；440-脉冲信号处理器；441-运算放大器；442-阻容电路网络与电源偏置电路单元；443-二极管与电容电路单元；444-mos开关电路单元；445-电压输出无源滤波网络电路单元；446-逻辑延时电路单元；500-接收分配单元；510-脉冲光接收器；511-接收光学镜片；512-接收结构；513-光纤连接座；520-光路分配器。
具体实施方式
63.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
64.在本技术中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本技术及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
65.并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本技术中的具体含义。
66.此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或点连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的联通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
67.此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。
68.实施例1
69.请参阅图1，图1为本技术实施例提供的一种激光雷达脉冲光信号接收探测系统的结构示意图。如图1所示，该激光雷达脉冲光信号接收探测系统包括激光雷达测控芯片200、激光发射器100、接收分配单元500、第一信号处理单元300、第二信号处理单元400，其中，
70.激光雷达测控芯片200与激光发射器100相连接，用于控制激光发射器100发射激光脉冲；
71.接收分配单元500用于接收与激光脉冲相对应的雷达脉冲光信号；
72.第一信号处理单元300与接收分配单元500相连接，用于对雷达脉冲光信号进行处理，得到第一处理信号；
73.第二信号处理单元400与接收分配单元500相连接，用于对雷达脉冲光信号进行处理，得到第二处理信号；
74.激光雷达测控芯片200分别与第一信号处理单元300和第二信号处理单元400相连接，还用于根据第一处理信号、第二处理信号生成脉冲探测结果。
75.请参阅图2，图2提供了另一种激光雷达脉冲光信号接收探测系统的结构示意图，其中，
76.第一信号处理单元300包括光路延时器310、可调光衰减器320、第一光电转换器330、第一信号放大器340、第二信号放大器350以及射频连接座360，其中，
77.光路延时器310与光路分配器520相连接，用于对第一激光脉冲进行延时，得到第
一延时脉冲；
78.可调光衰减器320与光路延时器310相连接，用于对第一延时脉冲进行光衰减处理，得到第一处理脉冲；
79.第一光电转换器330与可调光衰减器320相连接，用于对第一处理脉冲进行光电转换处理，得到第一电信号；
80.第一信号放大器340与第一光电转换器330相连接，用于对第一电信号进行信号放大，得到第一放大电信号；
81.第二信号放大器350与第一信号放大器340相连接，用于对放大电信号进行信号放大，得到第一处理电信号；
82.射频连接座360一端与第二信号放大器350相连接，另一端与激光雷达测控芯片200射频连接，用于传输第一处理电信号至激光雷达测控芯片200。
83.作为一种可选的实施方式，激光雷达测控芯片200与第一光电转换器330相连接，用于接收第一电信号；激光雷达测控芯片200与第一信号放大器340相连接，用于接收第一放大电信号。
84.请参看图3，图3提供了一种第一信号放大器340的结构示意图；同时请参看图4，图4提供了一种第二信号放大器350的结构示意图，其中，
85.第一信号放大器340包括相互连接的第一跨阻放大器341和数字可变增益放大器342，用于通过第一跨阻放大器341和数字可变增益放大器342对第一电信号进行信号放大，得到第一放大电信号；
86.第二信号放大器350包括相互连接的固定增益射频信号放大器351和第一输出缓冲运算放大器352，用于通过固定增益射频信号放大器351和第一输出缓冲运算放大器352对放大电信号进行信号放大，得到第一处理电信号。
87.作为一种可选的实施方式，第二信号处理单元400包括第二光电转换器410、第三信号放大器420、比较与逻辑器件430以及脉冲信号处理器440，其中，
88.第二光电转换器410与光路分配器520相连接，用于对第二激光脉冲进行光电转换，得到第二电信号；
89.第三信号放大器420与第二光电转换器410相连接，用于对第二电信号进行放大，得到第二放大电信号；
90.比较与逻辑器件430与第三信号放大器420和激光雷达测控芯片200两者相连接，用于对第二放大电信号进行逻辑比较，得到逻辑比较信号，并传输逻辑比较信号至激光雷达测控芯片200；
91.脉冲信号处理器440与比较与逻辑器件430、激光雷达测控芯片200以及可调光衰减器320三者相连接，用于对逻辑比较信号进行处理，得到第二处理信号，并分别传输第二处理信号至激光雷达测控芯片200和可调光衰减器320。
92.请参阅图5，图5提供了一种第三信号放大器420的结构示意图，其中，第三信号放大器420包括相互连接的第二跨阻放大器421和第二输出缓冲运算放大器422，用于通过第二跨阻放大器421和第二输出缓冲运算放大器422对第二电信号进行放大，得到第二放大电信号。
93.请参阅图6，图6提供了一种比较与逻辑器件430的结构示意图，其中，比较与逻辑
器件430包括第一比较器431、第二比较器432以及逻辑或门电路单元433，其中，
94.第一比较器431的输入端与第二比较器432的输入端相连接；
95.逻辑或门电路单元433分别与第一比较器431的输出端与第二比较器432的输出端两者相连接，用于对第二放大电信号的双路输入信号进行逻辑比较，得到逻辑比较信号。
96.请参阅图7，图7提供了一种脉冲信号处理器440的结构示意图，其中，脉冲信号处理器440包括运算放大器441、阻容电路网络与电源偏置电路单元442、二极管与电容电路单元443、mos开关电路单元444、电压输出无源滤波网络电路单元445以及逻辑延时电路单元446，其中，
97.运算放大器441与比较与逻辑器件430相连接，用于对逻辑比较信号进行放大处理，得到第一中间信号；
98.阻容电路网络与电源偏置电路单元442的输入端与运算放大器441的输出端相连接，用于对第一中间信号进行电源偏置处理，得到第二中间信号；
99.二极管与电容电路单元443的输入端与阻容电路网络与电源偏置电路单元442的输出端相连接，用于传输第二中间信号；
100.mos开关电路单元444的输入端与二极管与电容电路单元443的输出端相连接，用于传输第二中间信号；
101.逻辑延时电路单元446的输入端与mos开关电路单元444的输出端相连接，用于对第二中间信号进行延时处理，得到第三中间信号；
102.电压输出无源滤波网络电路单元445的输入端分别与二极管与电容电路单元443的输出端和逻辑延时电路单元446的输出端相连接，用于对第二中间信号和第三中间信号进行处理，得到第二处理信号。
103.作为一种可选的实施方式，接收分配单元500包括脉冲光接收器510和光路分配器520，其中，
104.脉冲光接收器510，用于接收与激光脉冲相对应的雷达脉冲光信号；
105.光路分配器520与脉冲光接收器510相连接，用于对雷达脉冲光进行光路分配，得到第一激光脉冲和第二激光脉冲。
106.图8提供了一种脉冲光接收器510的结构示意图，其中，脉冲光接收器510包括通过光路连接的接收光学镜片511、接收结构512以及光纤连接座513，其中，
107.接收结构512设置于接收光学镜片511的焦点位置，用于接收与激光脉冲相对应的雷达脉冲光信号；
108.光纤连接座513与接收结构相连接，用于传输与激光脉冲相对应的雷达脉冲光信号
109.本实施例中，激光雷达测控芯片200可以采用fpga做主控芯片，采用的fpga芯片为xilinx的xc7s50-2 ftgb196i芯片；跨阻放大器的型号可选opa858；运算放大器的型号可选lmh6702；mos的型号可选epc2212；mos驱动器的型号可选lmg1020；光电探测器为ingaas雪崩光电探测器，其易于做光纤光学模组。
110.请参阅图9，图9提供了一种脉冲信号逻辑控制时序关系图。其中，9s用于表示脉冲信号处理器440输出的第二处理信号(即脉冲驱动信号)，其连接接入可调光衰减器320。第二处理信号为高电平上标示的虚线，用于表示该第二处理信号作用于2s上的两个激光脉冲
回波信号，以调整每个激光脉冲回波信号的激光功率大小。
111.在本实施例中，该种激光雷达脉冲光信号接收探测系统能够实现对每一个激光脉冲回波信号的光路功率进行功率增益控制，从第一个激光脉冲回波信号进入到系统前即可对其激光脉冲回波信号光路功率进行增益控制，从而满足在探测系统的测量控制下，每个激光脉冲回波信号均不发生饱和失真和脉冲展宽的情况。
112.在本实施例中，每个激光脉冲回波信号在系统的测量控制下，得到一定幅度范围内的脉冲电压信号，提高了每个脉冲信号的测量精度和整体的测量数据的稳定性。从而能够避免出现脉冲信号由于激光回波信号过大导致电测量脉冲信号饱和失真甚至脉冲展宽，导致不能有效识别多个物体反射回的激光回波脉冲，降低测量精度的情况发生。
113.实施这种实施方式，能够在光路中设置两路光纤光路传播激光脉冲回波信号，其中第一路光纤光路采用光学光纤波导器件做光纤传播激光脉冲回波信号的延时光学单元，延时光学传播延时参数td；第二路光纤光路传播激光脉冲回波信号所连接的信号路径实现对激光脉冲信号光功率的监测与激光脉冲回波信号处理转换，输出可驱动控制可调光衰减器320的驱动脉冲电压信号，其中第二路光纤光路传播激光脉冲信号所连接的信号路径最后由脉冲信号处理器440输出可驱动控制可调光衰减器320的驱动脉冲电压信号，该驱动信号相对第一路光纤光路光纤上的激光脉冲回波信号固有传播延时参数为tg，通过合理设置光学传播延时参数td，使得td大于tg，从而使得脉冲信号处理器440能够输出可驱动控制可调光衰减器320的电压信号能对每一个激光脉冲回波信号的光功率进行调节。这样，每个激光回波脉冲信号在探测系统的测量控制下，得到一定幅度范围内的脉冲电压信号，提高了每个脉冲信号的测量精度和整体的测量数据的稳定性，从而能够避免出现脉冲电信号饱和失真、脉冲展宽情况发生而导致不能有效识别多个物体反射回的激光回波脉冲，同时降低每个脉冲测量精度；进而，能够从光学源头输入角度彻底解决信号饱和失真和脉冲展宽的问题，系统可实现有效识别两个激光脉冲回波间隔5ns的两个脉冲，同时提高每个脉冲回波测量的精度。
114.在上述所有实施例中，“大”、“小”是相对而言的，“多”、“少”是相对而言的，“上”、“下”是相对而言的，对此类相对用语的表述方式，本技术实施例不再多加赘述。
115.应理解，说明书通篇中提到的“在本实施例中”、“本技术实施例中”或“作为一种可选的实施方式”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本技术的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在本实施例中”、“本技术实施例中”或“作为一种可选的实施方式”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定特征、结构或特性可以以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于可选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本技术所必须的。
116.在本技术的各种实施例中，应理解，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的必然先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本技术实施例的实施过程构成任何限定。
117.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应与权利要求的保护范围为准。