激光雷达放大电路的放大倍数处理方法及装置

技术领域

本发明实施例涉及激光检测技术领域，具体涉及一种激光雷达放大电路的放大倍数处理方法及装置。

背景技术

脉冲式激光雷达具有测距速度快、测距距离远、抗干扰能力强、不需要合作目标等优势，在厘米级精度要求的检测领域发展迅速。在脉冲式激光雷达技术中，由于不需要合作目标，被测物体的反射率和距离的变化，使返回信号的能量动态范围非常大，对于放大电路来说为了获得较远的测距能力，就必须使放大倍数增大，但对于近距离的测距，信号就会处于饱和状态，由于信号上升沿的变化而产生“漂移误差”。

在实现本发明实施例的过程中，发明人发现目前一般解决方式是进行增益控制，但增益调节有滞后性，满足不了快速检测的需求；另外，还有利用上升沿斜率进行修正的方式，但需要对每台设备单独修正，不利于生产制造。

发明内容

本发明实施例的一个目的是解决现有技术由于输出饱和信号，导致出现“漂移误差”的问题。

本发明实施例提出了一种激光雷达放大电路的放大倍数处理方法，包括：

获取所述激光雷达的激光发射单元发射的脉冲激光束的空间分布信息；

获取所述激光雷达的激光接收单元接收所述脉冲激光束的回波信号的视场范围信息；

根据所述空间分布信息和所述视场范围信息获取所述脉冲激光束的回波信号的能量信息；

根据所述回波信号的能量信息获取所述激光雷达需要配置的多级放大电路的放大倍数，以使所述多级放大电路中至少有一级放大电路输出不饱和信号。

可选的，在所述根据所述回波信号的能量信息获取所述激光雷达需要配置的多级放大电路的放大倍数的步骤之前，所述方法还包括：

根据激光雷达测距方程获取所述激光雷达最大测距下的最小能量信息；

根据所述最小能量信息获取所述激光雷达需要配置的多级放大电路的整体放大倍数；

相应地，所述根据所述回波信号的能量信息获取所述激光雷达需要配置的多级放大电路的放大倍数的步骤具体包括：

根据所述回波信号的能量信息和所述整体放大倍数获取所述激光雷达需要配置的各放大电路的放大倍数。

可选的，所述根据所述回波信号的能量信息和所述整体放大倍数获取所述激光雷达需要配置的各放大电路的放大倍数的步骤具体包括：

根据所述回波信号的能量信息获取回波信号的能量最强时所述激光雷达的第一测距；

对所述回波信号的能量信息进行分析，获取所述第一测距对应的能量信息；

根据所述第一测距对应的回波信号的能量信息获取所述多级放大电路中第一级放大电路的放大倍数；

根据所述第一级放大电路的放大倍数和所述多级放大电路的整体放大倍数，获取所述多级放大电中除所述第一级放大电路之外的其他放大电路的放大倍数。

可选的，所述根据所述第一级放大电路的放大倍数和所述多级放大电路的整体放大倍数，获取所述多级放大电中除所述第一级放大电路之外的其他放大电路的放大倍数的步骤具体包括：

根据所述第一测距和所述最大测距下的最小能量信息获取所述激光雷达需要配置的放大电路的级数；

根据所述第一级放大电路的放大倍数、所述整体放大倍数和所述放大电路的级数获取除所述第一级放大电路之外的放大电路的放大倍数。

可选的，在所述激光雷达需要配置的多级放大电路中，除第一级放大电路之外，其他放大电路的放大倍数均相同。

本发明还提出了一种激光雷达放大电路的放大倍数处理装置，包括：

第一获取模块，用于获取所述激光雷达的激光发射单元发射的脉冲激光束的空间分布信息；

第二获取模块，用于获取所述激光雷达的激光接收单元接收所述脉冲激光束的回波信号的视场范围信息；

第一处理模块，用于根据所述空间分布信息和所述视场范围信息获取所述脉冲激光束的回波信号的能量信息；

第二处理模块，用于根据所述回波信号的能量信息获取所述激光雷达需要配置的多级放大电路的放大倍数，以使所述多级放大电路中至少有一级放大电路输出不饱和信号。

可选的，所述装置还包括：第三处理模块；

所述第三处理模块，用于根据激光雷达测距方程获取所述激光雷达最大测距下的最小能量信息；根据所述最小能量信息获取所述激光雷达需要配置的多级放大电路的整体放大倍数；

相应地，所述第二处理模块，具体用于根据所述回波信号的能量信息和所述整体放大倍数获取所述激光雷达需要配置的各放大电路的放大倍数。

可选的，所述第二处理模块，具体用于根据所述回波信号的能量信息获取回波信号的能量最强时所述激光雷达的第一测距；

对所述回波信号的能量信息进行分析，获取所述第一测距对应的能量信息；根据所述第一测距对应的回波信号的能量信息获取所述多级放大电路中第一级放大电路的放大倍数；根据所述第一级放大电路的放大倍数和所述多级放大电路的整体放大倍数，获取所述多级放大电中除所述第一级放大电路之外的其他放大电路的放大倍数。

可选的，所述第二处理模块，具体用于根据所述第一测距和所述最大测距下的最小能量信息获取所述激光雷达需要配置的放大电路的级数；根据所述第一级放大电路的放大倍数、所述整体放大倍数和所述放大电路的级数获取除所述第一级放大电路之外的放大电路的放大倍数。

可选的，在所述激光雷达需要配置的多级放大电路中，除第一级放大电路之外，其他放大电路的放大倍数均相同

由上述技术方案可知，本发明实施例提出的一种激光雷达放大电路的放大倍数处理方法及装置基于激光雷达发射的脉冲激光束的空间分布信息和接收脉冲激光束的视场范围信息，设置激光雷达的放大电路的放大倍数，以使至少有一级放大电路输出不饱和信号，进而实现激光雷达基于不饱和信号进行远距离、高精度和高重频的测距。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明一实施例提供的激光雷达的结构示意图；

图2示出了本发明一实施例提供的一种激光雷达放大电路的放大倍数处理方法的流程示意图；

图3示出了本发明一实施例提供的一种激光雷达放大电路的放大倍数处理方法中测距光路示意图；

图4示出了本发明一实施例提供的一种激光雷达放大电路的放大倍数处理装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明一实施例提供的激光雷达的结构示意图，参见图1，该激光雷达包括：激光发射单元11、激光接收单元12、多级放大电路单元13，其中；

激光发射单元11，用于产生一定发散角的脉冲激光束；

激光接收单元12，以一定的视场角的视场接收漫反射的激光信号并转换为电信号；

多级放大电路单元13，用于提供能够被后级电路处理的合适的信号幅度。

其中，激光发射单元11包括：激光器111和整形透镜112；

激光器111，用于产生快速重复频率的激光脉冲束；

整形透镜112，用于对激光器111产生的激光束进行整形，获得一定发散角的脉冲激光束。

激光接收单元12包括：接收透镜121和光电转换器件122；

接收透镜121，以一定的视场角的视场接收漫反射的激光束进行汇聚；

光电转换器件122，用于将接收透镜汇聚的光束信号转换为电信号。

多级放大电路单元13包括：第一级放大电路131、第二级放大电路132、……、第N级放大电路13N。

其中，整形透镜的轴线与接收透镜的轴线平行，接收视场角大于等于光束发散角。

图2示出了本发明一实施例提供的一种激光雷达放大电路的放大倍数处理方法的流程示意图，参见图1和图2，该方法包括：

210、获取所述激光雷达的激光发射单元发射的脉冲激光束的空间分布信息；

220、获取所述激光雷达的激光接收单元接收所述脉冲激光束的回波信号的视场范围信息；

230、根据所述空间分布信息和所述视场范围信息获取所述脉冲激光束的回波信号的能量信息；

240、根据所述回波信号的能量信息获取所述激光雷达需要配置的多级放大电路的放大倍数，以使所述多级放大电路中至少有一级放大电路输出不饱和信号。

需要说明的是，处理器中记录有激光雷达的相关参数，相关参数包括：整形透镜112和接收透镜121的尺寸等，然后结合脉冲激光束的空间分布信息和视场范围信息进行测距。

本实施例基于激光雷达发射的脉冲激光束的空间分布信息和接收脉冲激光束的视场范围信息，设置激光雷达的放大电路的放大倍数，以使至少有一级放大电路输出不饱和信号，进而实现激光雷达基于不饱和信号进行远距离、高精度和高重频的测距。

图3示出了本发明一实施例提供的一种激光雷达放大电路的放大倍数处理方法中测距光路示意图，下面参见图3对测距过程进行详细说明：

其中，接收透镜的直径D1、接收透镜与整形透镜的边缘间距D2、整形透镜的直径D3、接收透镜与整形透镜的中心间距D4；

当激光脉冲束通过整形透镜112发出时，压缩为发散角为∠α的激光束，光电转换器件122与接收透镜121形成的视场角为∠β的视场；

激光束与视场在近距离没有相交，随着距离增大，激光束与视场从相交到完全重合，激光束与视场最初相交的位置为S₁、最初完全重合的位置为S₂；

通过三角关系可以求得S₁、S₂与发散角∠α、视场角∠β之间的关系：

S₁×tan(α)+S₁×tan(β)＝D2……….公式1

S₂×tan(α)＝D2+D4+S₂×tan(β)……….公式3

激光束与视场最初相交的位置S1、最初完全重合的位置S2，取决于整形透镜112和接收透镜121的参数设计以及两片透镜之间的中心间距D4，D4越大，激光束与视场最初相交的位置S1、最初完全重合的位置S2距离越大；

需要指出的是，当距离小于S1时，由于光束与视场没有重合，此时返回的回波信号能量为零，因此小于S1的距离称为测距盲区；当距离大于S1小于S2时，光束与视场从相交到完全重合，此时回波能量逐渐增大；当距离大于S2时，回波信号能量会随着距离的平方呈反比的速率衰减，因此在S2距离下，回波信号能量是最强的；上述光学特性，是为业内人员熟知的。

需要指出的是，激光雷达为了对内部光路进行防护，通常在外部增加通光窗口，在整形透镜和透镜的尺寸和光学参数固定的情况下，通过调整两片透镜之间的间距D4，使激光束与视场最初相交的位置大于通光窗口所在的位置，当通光窗口表面附着灰尘、雨、雪等障碍物时，因为此时激光束与视场没有重合，障碍物造成的杂散光不会被接收到，系统的稳定性大幅度提高。

可见，本实施例的多级放大电路的级数N以及各级放大电路的放大倍数，是基于光路设计，实现光电匹配，使在任意回波强度下，多级放大电路至少有一级电路输出信号为不饱和。

在一可行实施例中，在步骤240之前，该方法还包括：

根据激光雷达测距方程获取所述激光雷达最大测距下的最小能量信息；

根据所述最小能量信息获取所述激光雷达需要配置的多级放大电路的整体放大倍数；

根据所述回波信号的能量信息获取回波信号的能量最强时所述激光雷达的第一测距；

相应地，步骤240具体包括：

对所述回波信号的能量信息进行分析，获取所述第一测距对应的能量信息；

根据所述第一测距对应的回波信号的能量信息获取所述多级放大电路中第一级放大电路的放大倍数；

根据所述第一测距和所述最大测距下的最小能量信息获取所述激光雷达需要配置的放大电路的级数；

根据所述第一级放大电路的放大倍数、所述整体放大倍数和所述放大电路的级数获取除所述第一级放大电路之外的放大电路的放大倍数。

在另一可行实施例中，在所述激光雷达需要配置的多级放大电路中，除第一级放大电路之外，其他放大电路的放大倍数均相同。

下面对激光雷达放大电路的放大倍数处理方法的设计原理进行详细说明：

301、根据激光雷达测距方程获得最大量程下最小激光能量和多级放大电路的整体放大倍数；

为了使激光雷达能够在最大量程下获得能够被后续电路处理的放大信号幅度，需要评估最大量程下的最小激光能量，并根据最小激光能量和后续电路处理的阈值，确定多级放大电路的整体放大倍数；

激光雷达测距方程为行业内公知的技术，利用该公式可以得到最大量程下的最小激光能量，公式为：

其中，P_s为激光接收单元接收到的功率值，ρ为被测物体的反射率，P_T激光器发出的功率值，D为接收透镜口径，S为测量距离，η_Atm为大气衰减系数，η_Sys为光学系统传输效率；

选定光电转换器件后，光电转换器件输出可以确定为：

V_s＝P_s×η_o………………公式6

其中V_s为光电转换器件输出的信号幅度，η_o为光电转换元件的光电转换效率；

由公式5和公式6，可得在最大测程S_max处，光电转换器件输出的信号幅度：

V_smax＝P_smax×η_o………………公式7

需要说明的是V_smax为光电转换器件输出，幅度达不到能够被后续电路处理的幅度，需要进行放大处理；

需要说明的是，在最大测距情况下，返回的能量比其他的距离下都弱，需要使放大电路最后一级输出，才能是信号放大到能够被后续电路处理的幅度；

假设能够被后续电路处理的信号幅度为V_vl，根据公式8可得放大电路的整体放大倍数A为：

302、根据光束和视场的位置关系，确定激光雷达测距回波信号幅度最强的距离，并根据回波信号幅度最强距离处的能量信息获得放大电路第一级的放大倍数；

同样的，由公式5和公式6可得激光雷达测距最强距离S₂下的光电转换器件输出的信号幅度：

需要说明的是，由公式12可见，在激光雷达测量由测距能量最强距离S₂至最大测程S_max过程中，能量是距离的平方成反比的关系衰减；

需要说明的是，需要保证在测距能量最强距离下，使用第一级放大电路输出幅度能够被后续电路处理的信号幅度V_vl，因此通过公式12可以获得第一级放大电路的放大倍数。

303、根据全距离范围内的信号幅度变化范围和放大电路不饱和信号范围确定多级放大电路的级数；

需要说明的是，在获得了激光雷达测距能量最强距离和最大测程下的的信号幅度，就能够得到整个测距范围内放大电路输出的信号幅度变化范围：V_s2～V_smax；

假设放大电路的特性饱和信号幅度为V_vh，放大电路级数为N，为了使信号能量在各级放大电路上均匀分布，则需满足公式14：

由公式14可得确定放大电路的级数：

需要说明的是，N取整数，可得回波信号幅度变化时，放大电路总有一级放大电路幅度为不饱和。

304、根据整体放大倍数和第一级放大倍数与放大电路级数计算其他级电路放大倍数。

需要说明的是，本系统中为了简化设计，除了第一级放大电路外，其他级放大电路的放大倍数均相同，因此在确定了最大放大倍数A和第一级放大倍数A₁后，可由公式16和公式17获得除第一级外，其他级电路的放大倍数A_e：

A₁×(A_e)^N-1＝A………………公式16

需要说明的是，本发明中提到的放大电路的级数、各级电路的放大倍数，是通过光束与视场的空间位置关系来确定的，通过光电匹配，使放大电路总有一级电路输出信号幅度为不饱和，为后续不饱和信号处理提供信号基础，使激光雷达在距离及信号幅度变化的情况下，都能满足高精度测距的要求。

对于方法实施方式，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施方式并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施方式，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施方式均属于优选实施方式，所涉及的动作并不一定是本发明实施方式所必须的。

图4示出了本发明一实施例提供的一种激光雷达放大电路的放大倍数处理装置的结构示意图，参见图4，该激光雷达放大电路的放大倍数处理装置，其特征在于，包括：第一获取模块41、第二获取模块42、第一处理模块43、以及第二处理模块44，其中；

第一获取模块41，用于获取所述激光雷达的激光发射单元发射的脉冲激光束的空间分布信息；

第二获取模块42，用于获取所述激光雷达的激光接收单元接收所述脉冲激光束的回波信号的视场范围信息；

第一处理模块43，用于根据所述空间分布信息和所述视场范围信息获取所述脉冲激光束的回波信号的能量信息；

第二处理模块44，用于根据所述回波信号的能量信息获取所述激光雷达需要配置的多级放大电路的放大倍数，以使所述多级放大电路中至少有一级放大电路输出不饱和信号。

本发明实施例基于激光雷达发射的脉冲激光束的空间分布信息和接收脉冲激光束的视场范围信息，设置激光雷达的放大电路的放大倍数，以使至少有一级放大电路输出不饱和信号，进而实现激光雷达基于不饱和信号进行远距离、高精度和高重频的测距。

在一可行实施例中，装置还包括：第三处理模块；

所述第三处理模块，用于根据激光雷达测距方程获取所述激光雷达最大测距下的最小能量信息；根据所述最小能量信息获取所述激光雷达需要配置的多级放大电路的整体放大倍数；

相应地，所述第二处理模块，具体用于根据所述回波信号的能量信息和所述整体放大倍数获取所述激光雷达需要配置的各放大电路的放大倍数。

在另一可行实施例中，所述第二处理模块，具体用于根据所述回波信号的能量信息获取回波信号的能量最强时所述激光雷达的第一测距；对所述回波信号的能量信息进行分析，获取所述第一测距对应的能量信息；根据所述第一测距对应的回波信号的能量信息获取所述多级放大电路中第一级放大电路的放大倍数；根据所述第一测距和所述最大测距下的最小能量信息获取所述激光雷达需要配置的放大电路的级数；根据所述第一级放大电路的放大倍数、所述整体放大倍数和所述放大电路的级数获取除所述第一级放大电路之外的放大电路的放大倍数。

在又一可行实施例中，在所述激光雷达需要配置的多级放大电路中，除第一级放大电路之外，其他放大电路的放大倍数均相同。

综上，本发明提出的一种激光雷达放大电路的放大倍数处理方法及装置，采用了多级放大电路设计，并且放大电路的各级放大电路的放大倍数、放大电路的级数，均是通过激光光束与接收视场的空间位置关系进行设计，保证在测距范围内，对于任意强度的回波信号，多级放大电路中始终至少有一级放大电路输出信号为不饱和，为后续电路处理提供不饱和信号，利用行业内公知的不饱和信号处理技术，实现测量范围内的高精度测距，提高生产效率。另外在设计激光的发散角和视场角过程中，使光束与视场最初相交的位置大于通光窗口所在的位置，滤除通光窗口累积灰尘导致杂散光带来的影响，提高设备的稳定性。

对于装置实施方式而言，由于其与方法实施方式基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施方式的部分说明即可。

应当注意的是，在本发明的装置的各个部件中，根据其要实现的功能而对其中的部件进行了逻辑划分，但是，本发明不受限于此，可以根据需要对各个部件进行重新划分或者组合。

本发明的各个部件实施方式可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本装置中，PC通过实现因特网对设备或者装置远程控制，精准的控制设备或者装置每个操作的步骤。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，并且程序产生的文件或文档具有可统计性，产生数据报告和cpk报告等，能对功放进行批量测试并统计。应该注意的是上述实施方式对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施方式。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。