一種脈沖激光近程動態(tài)增益控制電路的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及脈沖激光測量技術領域，具體是一種脈沖激光近程動態(tài)增益控制電 路。
【背景技術】
[0002] 脈沖激光雷達通過測量激光脈沖的飛行時間來檢測目標相對距離，在近程（幾十 米范圍）測量中，其單次的測量精度達到米級，然而作為一種可以快速獲取目標準確距離 的有效手段，這個精度依舊不夠，造成精度較差的主要原因是由于接收機電子系統(tǒng)的動態(tài) 范圍的限制。脈沖激光雷達大都測量前方非合作目標，在近程測距情況下，由于目標的距 離、發(fā)射特性等均在大動態(tài)范圍內(nèi)變動，使得激光脈沖的回波功率發(fā)生劇烈變化。而為了保 證高精度的距離測量，回波接收電路必須嚴格工作在線性區(qū)，避免探測到的回波脈沖飽和 失真，同時，其輸出的信號脈沖幅度需要穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，從而減小時刻鑒別帶來的漂 移誤差。
[0003] 在脈沖激光測距應用中，當激光脈沖回波功率大幅度變化時，實現(xiàn)激光雷達高精 度測距就需要在回波接收電路中引入AGC(自動增益控制）電路或STC(靈敏度時間控制） 電路，然而關于AGC或STC在激光雷達方面的應用研宄，目前并不是很成熟或者實現(xiàn)起來電 路比較復雜，開發(fā)難度大，比如AGC電路，典型方法是使用對數(shù)放大器，同時還要配合加法 和乘法運算電路。周強等人在論文《近距離脈沖激光探測接收和處理》中提出一種利用CPLD 實現(xiàn)的近程增益控制方法，測量范圍為50~500米，但是精度較差，而且該方法中沒有給出 50米以內(nèi)近程的實現(xiàn)方式；胡春生在博士論文《脈沖半導體激光器高速三維成像激光雷達 研宄》中提出一種利用RC網(wǎng)絡充放電的方式實現(xiàn)控制曲線的方法，實現(xiàn)了 30米以內(nèi)增益控 制，由于RC網(wǎng)絡充放電的特性，增益曲線的靈活性較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種脈沖激光近程動態(tài)增益控制電路，利用靈敏度時間控 制曲線（STC)來控制接收機中壓控放大器的增益，使得近程回波接收電路輸出的回波強度 保持在較大的測距范圍內(nèi)，從而保證測距精度在一定范圍內(nèi)維持不變。
[0005] 本發(fā)明的技術方案為：
[0006] 一種脈沖激光近程動態(tài)增益控制電路，用于脈沖激光測距接收機，所述接收機包 括壓控放大器，該電路包括FPGA芯片和D/A轉(zhuǎn)換器，所述FPGA芯片上設有ROM模塊和STC 控制機模塊；
[0007] 所述ROM模塊，用于存儲預先生成的電壓控制信號與時間的關系曲線即靈敏度時 間控制曲線數(shù)據(jù)；
[0008] 所述STC控制機模塊，用于在FPGA產(chǎn)生的窄脈沖信號的觸發(fā)下讀取ROM模塊內(nèi)存 儲的靈敏度時間控制曲線數(shù)據(jù)，并將讀取的數(shù)據(jù)輸出至D/A轉(zhuǎn)換器；
[0009] 所述D/A轉(zhuǎn)換器，用于將靈敏度時間控制曲線數(shù)據(jù)進行D/A轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換得到的 模擬電壓控制信號輸出至壓控放大器以控制其增益。
[0010] 所述的脈沖激光近程動態(tài)增益控制電路，該電路還包括低通濾波器，所述低通濾 波器用于對模擬電壓控制信號進行平滑處理，其輸入端連接D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端，其輸出 端連接壓控放大器的電壓控制信號輸入端。
[0011] 所述的脈沖激光近程動態(tài)增益控制電路，所述壓控放大器采用VCA810型芯片。
[0012] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于只需要用預先生成的靈敏度時間控制曲線就 可以控制激光脈沖回波信號的幅值，使其保持在線性放大器可以處理的范圍內(nèi)，本發(fā)明可 以避免近程目標回波信號強度飽和，從而提高近程測距的精度，而且電路結(jié)構(gòu)非常簡單。
【附圖說明】
[0013] 圖1是本發(fā)明具體實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 圖2是本發(fā)明用于脈沖激光測距系統(tǒng)的原理框圖；
[0015] 圖3是用于脈沖激光測距接收機的壓控放大器和中級放大器的具體示例結(jié)構(gòu)圖；
[0016] 圖4是脈沖激光測距中回波信號強度與時間的關系曲線圖；
[0017] 圖5是電壓控制信號與時間的關系曲線圖；
[0018] 圖6是VCA810的放大倍數(shù)與時間的關系曲線圖；
[0019] 圖7是經(jīng)過VCA810處理后的回波信號強度與時間的關系曲線圖。
【具體實施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖和具體實施例進一步說明本發(fā)明。
[0021] 如圖1所示，一種脈沖激光近程動態(tài)增益控制電路，包括FPGA芯片11、高速D/A轉(zhuǎn) 換器12和低通濾波器13, FPGA芯片11上設有STC控制機模塊111和ROM模塊112。STC 控制機模塊111與ROM模塊112交互式信號連接，STC控制機模塊111的信號輸出端連接 高速A/D轉(zhuǎn)換器12的信號輸入端，高速A/D轉(zhuǎn)換器12的信號輸出端連接低通濾波器13的 信號輸入端，低通濾波器13的信號輸出端連接壓控放大器2的電壓控制信號輸入端。
[0022] 本發(fā)明的工作原理：
[0023] 如圖2所示，脈沖激光測距系統(tǒng)包括處理機100、發(fā)射機200和接收機300,本發(fā)明 用于對接收機300中的壓控放大器2進行增益控制，為便于描述，將本發(fā)明記為STC電路1。
[0024] 處理機100中的測量控制器與接收機300中的STC電路1共用一個FPGA芯片11。 測量控制器產(chǎn)生一束窄脈沖信號LDTRIG來觸發(fā)發(fā)射機200產(chǎn)生脈沖激光，發(fā)射機200中的 PIN探測器獲取激光飛行時間的起始時刻并送給處理機100中的計時電路；接收機300接 收返回的激光脈沖回波信號，經(jīng)過前置放大器、壓控放大器2和中級放大器3放大后送到時 刻鑒別電路，產(chǎn)生激光飛行時間終止時刻并送給處理機100中的計時電路，計時電路利用 起始時刻與終止時刻計算出激光飛行時間差從而計算出激光飛行距離。接收機300中的 STC電路1產(chǎn)生電壓控制信號來控制壓控放大器2的增益大小，從而保證激光脈沖回波信號 強度不會超出中級放大器3的線性處理范圍。
[0025] STC電路1產(chǎn)生電壓控制信號來控制壓控放大器2的增益大小，具體過程為：
[0026] 測量控制器產(chǎn)生的窄脈沖信號LDTRIG觸發(fā)發(fā)射機200產(chǎn)生脈沖激光的同時，啟動 STC控制機111讀取ROM模塊112內(nèi)存儲的預先生成的電壓控制信號與時間的關系曲線即 靈敏度時間控制曲線數(shù)據(jù)，并將讀取的數(shù)據(jù)輸出至高速D/A轉(zhuǎn)換器12,高速D/A轉(zhuǎn)換器12 輸出模擬電壓控制信號，經(jīng)過低通濾波器13平滑后生成電壓控制信號Vcon來控制接收機 300中壓控放大器2的增益大小。
[0027] 壓控放大器2由帶電壓控制端的可變增益放大器及其外圍電阻網(wǎng)絡構(gòu)成，為了滿 足納秒級脈沖激光的需求，可變增益放大器要選用高帶寬和高增益調(diào)節(jié)范圍的放大器，如 VCA810等。VCA810的控制電壓與放大倍數(shù)的關系為：
[0028] G = l〇-2(Vcon+1) (1)
[0029] 其中，Vcon表示電壓控制信號，范圍是[0，_2V] ;G表示放大倍數(shù)。
[0030] FPGA芯片11帶片上ROM模塊112,靈敏度時間控制曲線數(shù)據(jù)存儲在ROM模塊112 內(nèi)，這樣做的好處是片上運行速度非常高，便于高速D/A轉(zhuǎn)換器12的數(shù)據(jù)更新。
[0031] 靈敏度時間控制曲線的獲取方法，一是可以直接計算實測的激光脈沖回波信號與 距離的關系，然后計算出電壓控制信號與距離（時間）的關系，這種方法比較繁瑣。還有一 種簡單的方法，利用以下雷達方程（2)，在matlab中生成回波信號強度與時間的關系曲線， 如圖4所示，本發(fā)明主要針對近程控制，因此生成的曲線時間范圍為Ons~400ns，對應的 距離范圍為0~60m，對于時間所關心的曲線范圍主要在30ns~300ns內(nèi)；再利用matlab， 并結(jié)合控制的要求，生成所需要的三角斜波信號，如圖5所示，利用三角斜波信號來控制 VCA810的增益。
【主權(quán)項】
1. 一種脈沖激光近程動態(tài)增益控制電路，用于脈沖激光測距接收機，所述接收機包括 壓控放大器，其特征在于：該電路包括FPGA芯片和D/A轉(zhuǎn)換器，所述FPGA芯片上設有ROM 模塊和STC控制機模塊； 所述ROM模塊，用于存儲預先生成的電壓控制信號與時間的關系曲線即靈敏度時間控 制曲線數(shù)據(jù)； 所述STC控制機模塊，用于在FPGA產(chǎn)生的窄脈沖信號的觸發(fā)下讀取ROM模塊內(nèi)存儲的 靈敏度時間控制曲線數(shù)據(jù)，并將讀取的數(shù)據(jù)輸出至D/A轉(zhuǎn)換器； 所述D/A轉(zhuǎn)換器，用于將靈敏度時間控制曲線數(shù)據(jù)進行D/A轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換得到的模擬 電壓控制信號輸出至壓控放大器以控制其增益。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖激光近程動態(tài)增益控制電路，其特征在于：該電路還包 括低通濾波器，所述低通濾波器用于對模擬電壓控制信號進行平滑處理，其輸入端連接D/A 轉(zhuǎn)換器的輸出端，其輸出端連接壓控放大器的電壓控制信號輸入端。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖激光近程動態(tài)增益控制電路，其特征在于：所述壓控放 大器采用VCA810型芯片。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種脈沖激光近程動態(tài)增益控制電路，用于脈沖激光測距接收機，所述接收機包括壓控放大器，該電路包括FPGA芯片和D/A轉(zhuǎn)換器，所述FPGA芯片上設有ROM模塊和STC控制機模塊，所述ROM模塊與STC控制機模塊交互式連接，所述STC控制機模塊的輸出端通過D/A轉(zhuǎn)換器與壓控放大器的輸入端連接。本發(fā)明擴展了脈沖激光測距的動態(tài)范圍，提高了測距精度，而且電路結(jié)構(gòu)非常簡單。
【IPC分類】G01S7-489
【公開號】CN104777471
【申請?zhí)枴緾N201510165757
【發(fā)明人】王少平, 梁華為, 陳向成, 許鐵娟
【申請人】中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2015年4月9日