[发明专利]一种激光雷达脉冲峰值自适应检测和拟合测距系统

说明书

本发明涉及主动式遥感技术领域，公开了一种激光雷达脉冲峰值自适应检测和拟合测距系统，该系统包括改进恒比定时模块、峰值保持和主控采样模块、驱动比较模块以及时刻鉴别拟合模块，所述改进恒比定时模块与峰值保持和主控采样模块以及驱动比较模块连接，峰值保持和主控采样模块与驱动比较模块连接，驱动比较模块与时刻鉴别拟合模块连接。本发明通过系统各模块的信号处理，输出保持接收信号幅值特性和具有陡峭上升沿特性的矩形脉冲信号，同时输出脉冲幅值精准数据，并采用此矩形脉冲信号触发时刻鉴别信号，显著减少由于不同输入幅值的信号的上升沿到达固定阈值时间不同而造成的行走误差，最终通过时间数字转换和拟合修正，实现精准测距。

技术领域

本发明涉及主动式遥感技术领域，具体涉及一种激光雷达脉冲峰值自适应检测和拟合测距系统。

背景技术

激光雷达技术主要用于主动式遥感领域，具有精度高、抗干扰能力强、探测范围广等优势，随着激光技术的不断发展，雷达往往工作在较大的距离区间。激光雷达的发射脉冲具有窄脉宽、高重频的特点，使得接收信号的采集难度大、易损耗，并且对检测电路的处理速度和响应时间要求极高。当被探测目标距激光发射器较远时，则回波信号微弱，光电探测器输出的电信号也十分微弱。因此，如何减小行走误差、提高测距精度和准确检测出接收脉冲峰值，是现阶段面临处理的难题。

现有的激光雷达主要是通过雪崩光电二极管APD将接收到的激光由光信号转换成电流信号，采用可变跨导放大器TIA进行I/V转换，得到接收脉冲并传输至接下来的时刻鉴别系统。根据现有的研究成果，典型的信号时刻鉴别系统主要有三种：

第一种是前沿时刻鉴别法。采用高速比较器将输入脉冲信号与设定的参考电压相比较，在输入脉冲信号大于参考电压的瞬间产生触发信号，记录接收脉冲的时刻。由于接收脉冲幅值动态范围较大，采用该方法接收脉冲的幅值变化会产生不可忽略的测距行走误差，影响测距精度。

第二种是过零时刻鉴别法。通过将单极性的脉冲信号转化为双极性信号，利用过零比较器来记录激光接收脉冲的时刻点，过零时刻鉴别技术对输入信号的幅度变化不敏感，可解决脉冲幅值变化所引起的测量行走误差。但是过零时刻鉴别法受脉冲峰值点附近的斜率影响，而且脉宽的大小也会带来测量的误差。

第三种是恒比定时鉴别法。将输入信号分为两路，其中一路进行衰减，另外一路进行延时，采用高速比较器对两路信号进行比较，并将两路信号恰好相等的时刻作为接收脉冲的时刻。该方法对于一定幅值范围内的信号具有比较好的应用效果。但是恒比定时鉴别系统中高精度延时系统的设计存在一定的困难，现有采用的是RC/LC网络延时或延时线，分别存在着波形失真和延时线较长的问题。同时，该方法无法减小大动态范围输入信号产生的时间抖动误差，会产生不可忽略的测距行走误差。

在激光雷达窄脉冲信号的检测方面，根据现有的研究成果，目前针对窄脉冲检测方式存在直接采集和间接采集两种采集方法。

直接采集方法主要是通过高速模数转换器ADC对高频信号进行采样，采用这种方法准确性较高，但是缺点也很明显。首先高速ADC价格非常高昂，大大提高了设计和应用成本；其次由于高速ADC采样频率较高，若采用普通的处理器进行处理，将无法及时分析高速ADC所采集的数据，即使采用FPGA进行数据处理也会非常困难。

间接采集方法主要是通过对激光雷达接收窄脉冲进行预先处理，完成对信号的峰值保持和ADC，进而降低ADC采集性能要求和处理器处理能力。其设计空间大、设计成本低的优势使得该方法逐渐广为投入使用。然而由于峰值保持过程存在电压缓慢下降的现象，采样时刻的不合理将导致幅值数据不准确。

综上所述，现有时刻鉴别方案存在着测距精度不足、行走误差较大的问题，现有窄脉冲峰值检测方案存在着直接采样困难、间接采样不准确的问题，为此我们提出了激光雷达脉冲峰值自适应检测和拟合测距系统。

发明内容

(一)解决的技术问题