一种用于提高探测距离的偏压调节装置及激光雷达系统制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于提高探测距离的偏压调节装置及激光雷达系统，该偏压调节装置包括：信号采集单元，用于获取APD探测器接收到的目标回波信号并从中提取雪崩噪声信号并统计预设时间段内的雪崩噪声信号个数；信号处理器，用于根据雪崩噪声信号个数及预置的第一偏压校正模型计算实际偏压值；该第一偏压校正模型用于表征预设时间内的雪崩噪声信号个数与理想偏压值之间的映射关系；偏压调节单元，用于在信号处理器的控制下产生并输出实际偏压值给APD探测器；本发明专利技术通过动态跟踪APD探测器的雪崩电压工作点，使偏置电压始终维持在稍低于APD探测器雪崩电压的电压值上，通过提高APD探测器的偏压提高探测灵敏度，进而增大了探测距离。

A Bias Voltage Regulating Device and Lidar System for Improving Detection Range

【技术实现步骤摘要】
一种用于提高探测距离的偏压调节装置及激光雷达系统
本专利技术属于激光测距
，更具体地，涉及一种能提高激光测距雷达探测距离和抗干扰性能的高灵敏度激光接收装置及激光雷达系统。
技术介绍
激光雷达是一种以激光为工作光束，通过探测远距离目标的散射光特性来获取目标相关信息的光学遥感技术，具有高测量精度、精细的时间和空间分辨率以及大的探测跨度。激光雷达以激光为光源，为了确保激光雷达对人眼的安全，激光雷达对所发射的激光光源的功率或能量都有及其严格的限制。多数场合都需要激光雷达有尽量远的探测距离，比如在汽车自动驾驶领域，车企厂家对激光雷达的探测距离的理想要求通常在300-500米甚至更远。为进一步提高激光雷达的测距范围，通常有两种实施方案。第一种是加大激光器的发射功率或能量，第二种是通过提高激光接收系统的灵敏度等性能来提高整个激光雷达的探测距离，目前常用的接收系统是基于雪崩光电二极管(以下简称APD)的探测器。上述两点改进措施中，现有的激光雷达通常采用第一种方案来提高探测距离，但存在以下问题：因为在激光人眼安全功率的限制下，激光峰值功率不可能再继续增加，因此该方案不易实现；并且大功率的脉冲激光器的散热高、体积大、功耗大、制造工艺复杂等问题，使得前者方案实现难度都较大。第二种方案可以在不增加激光器功率的情况下，通过提高激光接收系统性能来提高探测距离，具有较大的优势。雪崩光电二极管是一种建立在内光电效应基础上的光电器件，其具有内部增益和放大的作用；雪崩光电二极管工作在反向偏压下，在一定范围的反向偏压下，偏压越高，增益越大，当偏压无限趋近于雪崩光电二极管的雪崩电压时，雪崩光电二极管趋于雪崩的边缘，可以获得更大增益；理论上，雪崩光电二极管的增益受偏压和温度的影响；为了提高APD接收系统性能，目前通常采用根据环境温度对光电探测器的偏压进行调节，减小温度变化对光电探测器灵敏度的影响，提高响应速度和灵敏度；这种方案虽然在一定程度上提高了灵敏度，但是存在以下缺点：一是需要有精确的APD温度偏压曲线以及精确的APD工作温度，而且需要额外设置温度监测电路来测试温度，该温度监测电路不仅增加了系统结构的复杂度，而且容易对APD产生干扰；二是光电探测器的增益不仅受环境温度的影响，还会受到太阳光等背景光的影响，如果不考虑背景光对光电探测器灵敏度的影响，则无法使光电探测器发挥最优性能，更无法提高探测距离。
技术实现思路
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种用于提高探测距离的偏压调节装置及激光雷达系统，通过动态跟踪APD探测器阵列的雪崩电压工作点，使APD偏置电压始终维持在稍低于APD探测器雪崩电压的电压值上，通过提高APD探测器阵列的偏压提高探测灵敏度，进而增大了探测距离，其目的在于解决现有技术中存在的接收系统灵敏度和探测距离有待提高的问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种用于提高探测距离的偏压调节装置，包括信号采集单元、信号处理器和偏压调节单元；所述信号采集单元用于获取APD探测器接收到的目标回波信号，从所述目标回波信号中提取雪崩噪声信号并统计预设时间内的雪崩噪声信号个数；所述信号处理器用于根据所述雪崩噪声信号个数以及预置的第一偏压校正模型计算实际偏压值，使所述实际偏压值趋近于APD探测器的雪崩电压；所述第一偏压校正模型用于表征预设时间内的雪崩噪声信号个数与理想偏压值之间的映射关系；所述偏压调节单元用于在信号处理器的控制下产生并输出所述实际偏压值给APD探测器。信号处理器通过信号采集单元动态跟踪APD探测器的雪崩电压工作点，并产生APD探测器所需要的APD偏置电压，使APD偏置电压始终维持在稍低于APD探测器雪崩电压的电压值上，该APD偏置电压与雪崩电压之间的差值在0.5-3V之间；此时，APD处于雪崩的边缘，可以获得更大增益。优选的，上述偏压调节装置，其信号采集单元还用于从目标回波信号中提取背景直流光信号；所述信号处理器根据所述背景直流光信号以及预置的第二偏压校正模型计算实际偏压值；所述第二偏压校正模型用于表征背景光直流电压与理想偏压值之间的映射关系。优选的，上述偏压调节装置，其信号采集单元包括多级增益放大模块、时刻鉴别模块、直流成分提取电路、脉冲信号处理模块和第一模数转换器；所述多级增益放大模块用于对目标回波信号进行放大，将目标回波信号中的激光脉冲信号放大至所述时刻鉴别模块可鉴别的幅度；所述时刻鉴别模块用于检测所述激光脉冲信号的到达时间，并根据所述到达时间计算目标距离；所述直流成分提取电路用于从放大后的目标回波信号中提取出噪声信号，所述噪声信号包括背景直流光信号和雪崩噪声信号；并将背景直流光信号发送至信号处理器，将雪崩噪声信号发送至脉冲信号处理模块；所述脉冲信号处理模块用于将所述雪崩噪声信号整形为标准脉冲信号，所述标准脉冲信号经第一模数转换器处理后发送至信号处理器。优选的，上述偏压调节装置，其多级增益放大模块包括依次相连的第一级前置放大器、第二级增益可变放大器、第三级固定增益放大器和第四级增益可变放大器；所述第一级前置放大器与APD探测器连接，用于将APD探测器接收到的目标回波信号进行第一级放大；所述第二级增益可变放大器的增益由信号处理器控制进行动态调节，在对第一级前置放大器输出的目标回波信号进行放大的过程中维持信号稳定；所述第三级固定增益放大器对第二级增益可变放大器输出的目标回波信号作进一步放大，并将放大后的目标回波信号中的激光脉冲信号输出至时刻鉴别模块；所述第四级增益可变放大器用于将第三级固定增益放大器输出的目标回波信号中的噪声信号进行放大。优选的，上述偏压调节装置，当所述直流成分提取电路输出的背景直流光信号的电压值大于预设的电压阈值时，信号处理器根据第二偏压校正模型计算输出至APD探测器实际偏压值；否则，信号处理器根据第一偏压校正模型计算输出至APD探测器实际偏压值；所述电压阈值为第四级增益可变放大器的最大输出电压的80％。优选的，上述偏压调节装置，其时刻鉴别模块包括计时电路和FPGA时刻鉴别电路；所述计时电路在激光脉冲信号的驱动下检测所述激光脉冲信号的到达时间；所述FPGA时刻鉴别电路根据所述到达时间对目标距离进行解算。优选的，上述偏压调节装置，其脉冲信号处理模块包括脉冲信号形成电路和脉冲信号整形电路；所述脉冲信号形成电路用于将雪崩噪声信号通过内部比较器整理成脉冲信号；所述脉冲信号整形电路用于将脉冲信号形成电路输出的脉冲信号整形为标准脉冲信号。优选的，上述偏压调节装置，其偏压调节单元包括第二模数转换器、反激BOOST升压器和偏压调节器；所述反激BOOST升压器用于在信号处理器的控制下产生一个高于APD探测器的雪崩电压的电压值；所述第二模数转换器用于将信号处理器生成的实际偏压值发送至偏压调节器；所述偏压调节器根据所述实际偏压值对反激BOOST升压器产生的电压值进行自适应分压，以输出该实际偏压值给APD探测器。优选的，上述偏压调节装置，其信号处理器还用于对APD探测器接收到的对目标进行多次测量时产生的多个目标回波信号进行时域解算处理，生成多个回波信号中的真实或噪点距离值落入不同距离分段上的概率值的分布曲线，取所述概率值最大时的距离值作为真实目标距离。通过对多个目标回波信号进行时域解算处理，利本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于提高探测距离的偏压调节装置，其特征在于，包括信号采集单元、信号处理器和偏压调节单元；所述信号采集单元用于获取APD探测器接收到的目标回波信号，从所述目标回波信号中提取雪崩噪声信号并统计预设时间段内的雪崩噪声信号个数；所述信号处理器用于根据所述雪崩噪声信号个数以及预置的第一偏压校正模型计算实际偏压值；所述第一偏压校正模型用于表征预设时间内的雪崩噪声信号个数与理想偏压值之间的映射关系；所述偏压调节单元用于在信号处理器的控制下产生并输出所述实际偏压值给APD探测器。

【技术特征摘要】
1.一种用于提高探测距离的偏压调节装置，其特征在于，包括信号采集单元、信号处理器和偏压调节单元；所述信号采集单元用于获取APD探测器接收到的目标回波信号，从所述目标回波信号中提取雪崩噪声信号并统计预设时间段内的雪崩噪声信号个数；所述信号处理器用于根据所述雪崩噪声信号个数以及预置的第一偏压校正模型计算实际偏压值；所述第一偏压校正模型用于表征预设时间内的雪崩噪声信号个数与理想偏压值之间的映射关系；所述偏压调节单元用于在信号处理器的控制下产生并输出所述实际偏压值给APD探测器。2.如权利要求1所述的偏压调节装置，其特征在于，所述信号采集单元还用于从目标回波信号中提取背景直流光信号；所述信号处理器根据所述背景直流光信号以及预置的第二偏压校正模型计算实际偏压值；所述第二偏压校正模型用于表征不同的背景光直流电压与理想偏压值之间的映射关系。3.如权利要求2所述的偏压调节装置，其特征在于，当所述背景直流光信号的电压值大于预设的电压阈值时，信号处理器根据第二偏压校正模型计算输出至APD探测器实际偏压值；否则，信号处理器根据第一偏压校正模型计算输出至APD探测器实际偏压值。4.如权利要求1或3所述的偏压调节装置，其特征在于，所述信号采集单元包括多级增益放大模块、时刻鉴别模块、直流成分提取电路、脉冲信号处理模块和模数转换器；所述多级增益放大模块用于对目标回波信号进行放大，以将目标回波信号中的激光脉冲信号放大至所述时刻鉴别模块可鉴别的幅度；所述时刻鉴别模块用于检测所述激光脉冲信号的到达时间，并根据所述到达时间计算目标距离；所述直流成分提取电路用于从放大后的目标回波信号中提取出噪声信号，所述噪声信号包括背景直流光信号和雪崩噪声信号；并将所述背景直流光信号发送至信号处理器，将所述雪崩噪声信号发送至脉冲信号处理模块；所述脉冲信号处理模块用于将所述雪崩噪声信号整形为标准脉冲信号，所述标准脉冲信号经模数转换器处理后发送至信号处理器。5.如权利要求4所述的偏压调节装置，其特征在于，所述多级增益放大模块包括依次相连的第一级前置放大器、第二级增益可变放大器、第三级固定增益放大器和第四级增益可...

【专利技术属性】
技术研发人员：卫平，杨刚，
申请(专利权)人：华镭申隆武汉电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42