一种激光雷达时刻鉴别电路设计

时刻鉴别电路是激光雷达的重要组成部分。它被用于检测回波脉冲信号到达接收机的终止时刻,并通知处理器进行数据处理。为满足激光雷达系统对时刻鉴别电路的精确鉴时的需求,采用经过差分放大后的回波脉冲信号进行差分电平平移,将平移后的差分信号送入高速比较器进行时刻鉴别,实现了时刻鉴别功能。通过验证,该设计有效改善了前沿时刻鉴别法产生的行走误差,提高了激光雷达系统测距精度,与恒比定时时刻鉴别电路相比又简化了电路。     

差分信号时刻鉴别法的脉冲激光测距技术分析

高精度的脉冲激光测距系统一直都是激光测距领域的研究热点之一。测距误差的存在直接影响了激光测距精度的结果,利用差分信号时刻鉴别法的研究未见报道,因此对差分时刻判别法的研究具有重要意义。为了研究这一问题,对影响脉冲激光测距精度的因素进行了分析,可以认为幅度时间游动效应和上升时间游动效应产生的时间晃动是影响测距精度最主要的因素。通过分析可以看出,所设计的差分信号时刻鉴别电路能够有效提高测距精度,达到了设计要求。在实验测试中,差分信号时刻鉴别电路对70 m内不同距离的单次测距误差保持在9 mm以内,相比之下单端信号时刻鉴别电路的单次测距精度范围为[-12 mm,11 mm]。实验结果表明同单端信号单次测距误差相比,测距精度有了明显的提高。该方法可以为现有的如何提高脉冲激光测距精度技术提供参考价值。     

脉冲激光测距中阈值—峰值双通道时刻鉴别方法

脉冲激光测距系统由于其精度高、抗干扰能力强等优点,广泛应用于激光雷达、激光引信等领域,但是常用的时刻鉴别法存在误差,制约了动态测距精度的提升,主要原因是回波脉冲的衰减和展宽。针对这一问题,提出一种采用恒阈值和峰值双通道的时刻鉴别新方法。该方法通过引入激光发射脉冲的理论方程,建立了回波波形的时域分布模型,可以实现不受到衰减和展宽的影响的准确回波鉴别。在此基础上设计了双通道时刻鉴别的脉冲激光测距系统。实验结果表明,采用双通道时刻鉴别方法可以将近程测距的误差控制在3 cm以内,并可通过多次测量对精度进一步提升,解决了时刻鉴别误差制约测距精度提高的瓶颈问题。     

激光雷达接收机中时刻鉴别模块的研究和设计

时刻鉴别在激光雷达接收机电路中决定着系统整体的测量精度。考虑到传统的前沿时刻鉴别法测量精度不高,而恒比定时法又存在大量的器件损耗,提出一种新的时刻鉴别法。首先采用高、低两个增益并联的电压放大器,获得两个具有不同增益的脉冲电压信号;再通过四个比较器获得两个脉冲电压信号的前后沿;最后通过几何平均算法获得回波脉冲的形心,从而确定回波到来的时刻。Matlab仿真结果表明,所提时刻鉴别法的鉴别精度优于传统的时刻鉴别法。通过Multisim对时刻鉴别模块进行仿真,结果显示电压放大器和比较器的输出波形均符合预期效果。最后把设计的时刻鉴别模块应用于接收机中进行实验,结果表明该模块可达到三维成像激光雷达接收机电路的系统精度要求,有较好的三维成像效果。     

窄脉冲激光信号峰值保持电路设计

首先介绍了跨导型峰值保持电路的结构和原理,使用两种不同的跨导放大器,设计了适用于窄脉冲激光信号的跨导型峰值保电路,通过仿真分析后选择其中一种最合适的放大器进行电路实验,并通过实验详细讨论了影响电路保持效果的各项因素。该电路具有结构简单、线性良好、保持精度高等特点。     

用于重频窄脉冲激光能量检测的峰值保持电路

设计一种峰值保持电路。可用于高重频、窄脉冲DPL激光的脉冲能量测量。该电路主要由电荷积分电路、低通滤波电路、峰值保持电路及时间延迟电路组成。给出典型的实验波形和测试结果。实验结果表明,电路的线性动态范围约140倍。使用该检测电路可有效降低后端A／D转换器的采样频率,减小数据量,增强电路的稳定性,降低系统成本。     

用于重频窄脉冲激光能量检测的峰值保持电路

设计一种峰值保持电路,可用于高重频、窄脉冲DPL激光的脉冲能量测量.该电路主要由电荷积分电路、低通滤波电路、峰值保持电路及时间延迟电路组成.给出典型的实验波形和测试结果.实验结果表明,电路的线性动态范围约140倍.使用该检测电路可有效降低后端A/D转换器的采样频率,减小数据量,增强电路的稳定性,降低系统成本.     

弱磁场检测设计

本文在完成基本电路实验基础上提供了弱磁场检测电路,针对提高信号测量精度,给出了一种解决方案。在弱磁信号放大电路、零点调整电路、信号幅度显示及A/D变换电路中,对信号的灵活处理,有多种电路可以选择,运用三位半电压表模块,直接显示磁场强度,同时通过A/D变换得到更高精度的信号数据,通过对弱磁信号的A/D变换精度的分析,提出提高测量精度的方法。对其他弱信号的处理,同样可以采用相似的分析方法。     

提高脉冲激光近炸引信定距精度的研究

为了提高激光近炸引信的定距精度,减小脉冲激光回波幅度变化引起的时刻判别误差和起止信号时间间隔测量产生的误差,设计了有源CR双阈过零时刻判别方法和基于FPGA内部专用进位链构成的延迟线插入法的时间间隔测量方法,将其应用于脉冲激光引信系统,进行了测距实验研究,给出了实验数据和测量误差分析,最终得到0.17 m的定距精度。实验结果表明,在不增加脉冲激光近炸引信系统功耗、体积和重量的前提下,该方法有效地提高了系统定距的精度,满足实际需要。     

激光引信复合时刻鉴别法的漂移误差补偿

针对激光引信常用的恒比定时时刻鉴别法的饱和漂移误差问题,提出了一种前沿判别与恒比定时复合的时刻鉴别方法及其误差补偿模型。建立了恒比定时时刻鉴别的漂移误差模型,分析了饱和漂移误差随回波信号理论峰值电压的变化规律;提出了基于复合时刻鉴别法的漂移误差补偿方法,建立了复合时刻鉴别的漂移误差补偿数学模型,得到了修正的脉冲激光测距公式,并进行了测距精度验证实验。结果表明,复合时刻鉴别及误差补偿修正方法可有效减小系统误差,测距精度可控制在±0.3 m以内。     

高重频激光地面足印探测器峰检电路的设计

设计了一款两级峰值检测电路,实现对上升沿为3 ns、脉宽为5 ns、下降沿为3 ns、重频为10 kHz的脉冲信号的峰值检测与保持,利用STM32单片机的模数转换器完成电压信号采集。给出以APD为光电探测器件的地面探测器系统的基本结构框图,利用探测器系统中的放大电路模块使接收激光脉冲宽度从1 ns展宽至5 ns,搭配峰值检测电路模块实现窄脉宽、高重频激光信号的检测与数据记录。利用信号源完成峰值检测电路部分的功能测试,使用重频为1 kHz、脉宽约为1 ns的激光器完成探测器系统整体的功能测试,实验证明此系统可以较好地检测并记录该激光信号的峰值。     

用PIN探测器进行激光雷达参考光检测

可靠准确的参考光检测是提高直接测距型激光主动成像系统测距精度的关键因素之一,对基于PIN探测器的参考光检测电路设计进行了深入研究。首先,对比分析了雪崩光电二极管（APD）和PIN光电二极管性能及其供电电路的难度。综合考虑参考光功率稳定特性及参考光光路设计难度,选择PIN探测器进行激光雷达参考光检测。详细分析了高压集成芯片LT3482作为常规电源和利用电流监测模式驱动PIN探测器时的差别。选择高增益带宽积跨阻放大器OPA657N实现PIN探测器电流电压转换,对其关键外围元件参数的选取进行了详细分析。同时介绍了超高速比较器MAX9601的应用注意事项。最后,设计了电路板并进行实验验证。结果表明:对脉冲为10 ns的激光光源,当PIN探测器施加89.449 V的偏置电压时,其输出电流信号经跨阻放大器后电压幅值达到-3.7 V,可保证起始信号可靠检出,但脉冲展宽为15 ns。整个模块可有效给出参考光对应的计时起始信号。基于集成高压芯片驱动的PIN探测器配合恒定阈值时刻鉴别方法在直接测距型激光主动成像系统参考光检测中是切实可行的。     

用于APD激光探测的电荷灵敏前置放大器设计

雪崩光电二极管（APD）作为探测元件实现光电转换广泛应用于激光脉冲探测技术中。前置放大器是影响APD激光脉冲探测系统好坏的关键因素,前置放大器的信噪比决定了整个探测系统的信噪比优劣。提出了电荷灵敏前置放大器应用于APD激光脉冲探测系统以提高探测距离和探测精度的方法。讨论了激光脉冲探测技术和APD特性,在此基础上设计了以结型场效应管和集成运放为主要器件的低噪声电荷灵敏前置放大器电路并对设计电路进行了实验分析。实验结果表明：将电荷灵敏前置放大器应用于APD激光脉冲探测系统可以有效提高系统的信噪比,改善激光探测性能。     

脉冲激光测距时刻鉴别方法的研究

介绍了一种用于脉冲激光测距技术的双阈值前沿时刻鉴别方法。分析了由接收信号幅度变化引起的计时误差。 采用双阈值前沿时刻鉴别方法产生了飞行时间测量的停止信号和与幅度相关的时间点信号。使用高精度时间测量芯片测量了脉冲信号飞行 时间和信号幅度相关的时间间隔,并对由时刻鉴别器产生的漂移误差进行了修正,获得了误差为$\pm$ 3cm的测距结果。与其它时刻鉴别方 法相比,该方法无需增益控制,其电路结构简单,动态范围宽,而且在脉冲幅度饱和后仍能对漂移误差进行修正。     

基于S3C2440的多道脉冲幅度分析器硬件设计

传统的以单片机为核心的多道脉冲幅度分析器集成度低、软硬件设计难度大、系统升级困难。文中介绍了一种以高性能32位嵌入式处理器S3C2440处理为核心的多道脉冲幅度分析器的硬件设计方案,电路主要包括甄别电路、峰值扩展电路、控制电路和A/D转换电路。甄别电路通过设定阈值去除低能噪声信号,峰值检测电路进行输入信号的峰位检测和峰值扩展,A/D转换电路实现输入信号的模拟-数字量的转换。控制电精确控制了整个电路的工作时序。测试表明,该系统具备良好的微分非线性和积分非线性、速度快、稳定性好、可用于实际工作。     

激光扫描仪接收系统的峰值保持电路设计

针对激光扫描仪接收系统对信号窄脉宽、高重频、大带宽的设计要求,提出2种保持时间可调的峰值保持电路的设计方法。一种利用跨导型放大电路实现峰值保持,单稳态触发器实现保持时间控制;一种利用FastFET运算放大器和与门延时实现保持时间可控的峰值保持电路。通过软件仿真对2种设计方法进行对比分析,选择更适合激光扫描仪接收系统的跨导型峰值保持电路。经实验验证,该电路可对15 ns脉宽、200 kHz重频和50 MHz带宽的信号有效保持,且保持时间可调。     

激光窄脉冲信号探测电路的设计与接收

在激光反射层析成像雷达系统中,激光脉宽越窄,系统的成像分辨率越高。而高带宽、无失真的探测接收电路设计起来较为困难。详细分析了雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode,APD)模型及其主要性能参数,并选择了合适的探测器。然后对前置放大电路、主放大电路和可控增益放大电路进行了较为详细的分析,并设计了合适的电路结构。GHz级微弱光电信号在被接收时很容易受到外部噪声的干扰,这会导致接收波形产生畸变。采用电磁辐射屏蔽方法消除了干扰,最终无失真地探测和接收到了1 ns窄脉冲激光信号,满足了激光反射层析成像雷达系统的0.15 m成像精度要求。     

阵列分束激光三维成像技术

针对现有激光三维成像中使用的面阵APD探测器相邻像元间隔较大,导致激光利用率低从而影响探测距离的缺点,提出阵列分束激光三维成像技术。该技术对激光发射源采用液晶空间光调制器进行衍射阵列分束,将一束激光分成与阵列APD探测器相应的阵列子光束,调整激光发射子光束和阵列APD探测器的位置,使得子光束照射目标后聚焦到阵列APD探测器的像元上,提高了整束激光的利用效率。介绍了阵列分束激光三维成像技术系统组成和工作原理,提出采用液晶空间光调制器的方法实现阵列分束的方案,研制了阵列分束激光三维成像原理样机,利用研制的原理样机对采用阵列分束后的效果进行了验证。实验结果表明,采用该技术后,采用峰值功率10 kW、脉宽8 ns的激光源,填充因子2/3的88 APD,三维成像作用距离达到510 m,同等条件下与不分束相比,作用距离提升39.1%。     

激光脉冲测距双阈值时刻判别技术研究

在脉冲式激光测距技术中,回波信号幅度和上升时间变化引起的时间晃动误差是影响激光测距精度的主要因素之一.针对时间晃动误差带来的测距精度低的难题,在分析了时间晃动误差和总结一般时刻判别技术的基础上,设计了由高速比较电路,单稳态脉冲展宽电路、脉冲延时电路和快符合电路组成的双阈值时刻判别电路,并对电路进行了误差分析.与一般的时...