一种激光雷达多通道模拟前端电路的制作方法

1.本发明涉及激光雷达系统设计领域，更具体涉及一种激光雷达多通道模拟前端电路。


背景技术：

2.激光雷达是一种基于激光测距技术的环境感知系统，通常被称为lidar(light detection and ranging)，因激光具有单色性强、方向性好以及相干性强等优点，基于激光测量技术发展的激光雷达在非接触距离测量场景中具有重要意义，被广泛应用于地形测绘、气象监测、战场探测、航空航天等领域。军事上，激光雷达是智能化武器实现精确打击的关键部件，可以完成对敌目标侦查成像、直升机避障、水下探测、空间目标监视等任务。近年来，随着智慧城市建设的快速发展，无人送货车、自动驾驶汽车、机器人等技术迅猛发展这些技术的关键是要实现对目标的精确探测，实时获取目标的轮廓信息、距离信息、方位信息，从而感知周围环境。激光雷达通过主动式感知捕获周围环境从而实现高清实时3d图像，同时它具有独特的高精度、高分辨率测距和抗干扰能力强等优势，在自动驾驶、无人机、环境监测和可穿戴电子等领域有着重要的应用。激光雷达在工业和民用领域显示出巨大的潜力，逐渐成为研究的热点。为了满足各领域日益复杂的应用需求，目前激光雷达的主流发展趋势是向着元器件集成化、激光器和探测器多线列、信号处理电路多通道和芯片化发展。尤其在信号处理电路方面，由于其作为激光雷达的关键部分，其相关研究不仅会提升激光雷达的整体性能，也会有助于降低激光雷达的应用成本。
3.实际应用中，激光雷达在探测近距离目标物体时，信号回波幅值较大(500mv以上)，此时后端模拟信号处理电路只需要较少的放大倍数即可，否则信号容易饱和。但是在探测远距离目标时，信号回波幅值较小(10mv以下)，此时后端模拟信号处理电路需要保持一个较大的放大状态，否则由于链路增益不够，无法将微弱信号进行放大到超过噪底水平2倍以上，信号将会被系统固有噪声所淹没。所以在设计时需要考虑对远近距离目标的强弱回波都能保持准确响应，因此对应后端处理电路就需要保持一个较高的动态范围。
4.中国专利公开号cn112711011a公开了一种激光雷达系统、光信号接收处理装置以及光信号接收处理方法，激光雷达系统包括光信号接收处理单元，光信号接收处理单元包括依次连接的光接收器、跨阻放大器、一级信号放大器、二级可调增益放大器、可调阈值比较器，主控处理单元能够根据所述二级可调增益放大器的输出结果调整光接收器的供电电压、二级可调增益放大器的放大增益以及可调阈值比较器的阈值电压。所述二级可调增益放大器的增益可调范围为10db～30db，具有较高的动态范围。但是其没有对电路中高频噪声、共模噪声、直流量等进行处理，从而回波信号存在一定的干扰，影响探测结果的准确性，并且虽然增益可调，但是无法分档位进行精准调节，导致激光雷达在探测近距离目标物体或者探测远距离目标时不能精准切换增益档位，从而无法准确响应。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于如何提高激光雷达的探测结果的准确性。
6.本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种激光雷达多通道模拟前端电路，包括多个增益放大模块，每个所述增益放大模块包括两路并行的放大单元，每路放大单元包括输入端隔直电容、旁路滤波电容、跨阻放大器、固定增益放大器以及差分转单端放大器，所述输入端隔直电容的一端与探测器的输出端连接，输入端隔直电容的另一端分别与旁路滤波电容以及跨阻放大器的输入端连接，跨阻放大器对信号进行放大并将单端输入信号转化为差分输出信号分别输出到固定增益放大器的两个输入端，固定增益放大器的两个输出端分别与差分转单端放大器的两个输入端连接，差分转单端放大器进行差分信号相减并输出，差分转单端放大器的输出端作为放大单元的输出端口。
7.有益效果：本发明的输入端隔直电容的两端分别连接探测器以及跨阻放大器，将跨阻放大器的直流工作电平与探测器进行隔离，隔绝探测器端的信号干扰，旁路滤波电容对高频噪声进行滤波，差分转单端放大器进行差分信号相减，进一步消除共模噪声和直流量并提升信号链路的动态范围，整个电路最大限度的消除了干扰，提高激光雷达的探测结果的准确性。
8.进一步地，所述每路放大单元还包括耦合电容c5和耦合电容c6，所述跨阻放大器的两个输出端分别通过耦合电容c5和耦合电容c6与固定增益放大器的两个输入端连接。
9.进一步地，所述每路放大单元还包括耦合电容c9和耦合电容c10，所述固定增益放大器的两个输出端分别通过耦合电容c9和耦合电容c10与差分转单端放大器的两个输入端连接。
10.进一步地，所述每路放大单元还包括隔直电容c13，所述差分转单端放大器的输出端与隔直电容c13的一端连接，隔直电容c13的另一端作为放大单元的输出端口。
11.进一步地，所述激光雷达多通道模拟前端电路还包括多通道开关，每个增益放大模块的每路放大单元的输出端分别连接多通道开关的一个输入通道。
12.更进一步地，每个所述输入通道的外部时序控制信号的工作时序与其他输入通道的工作时序不同，多个输入通道传输过来的数据轮流切换输出。
13.进一步地，所述激光雷达多通道模拟前端电路还包括可变增益放大器，所述可变增益放大器的输入端与多通道开关的输出端连接。
14.更进一步地，所述可变增益放大器包括增益引脚，通过配置增益引脚的高低电平来选择不同的增益档位。
15.更进一步地，所述激光雷达多通道模拟前端电路还包括数据采集卡和上位机，所述数据采集卡的信号采集端与可变增益放大器的输出端连接，所述上位机与数据采集卡通信连接。
16.进一步地，所述探测器包括平衡式单元探测器、平衡式线列探测器或平衡式面阵探测器。
17.本发明的优点在于：
18.(1)本发明的输入端隔直电容的两端分别连接探测器以及跨阻放大器，将跨阻放大器的直流工作电平与探测器进行隔离，隔绝探测器端的信号干扰，旁路滤波电容对高频噪声进行滤波，差分转单端放大器进行差分信号相减，进一步消除共模噪声和直流量并提
升信号链路的动态范围，整个电路最大限度的消除了干扰，提高激光雷达的探测结果的准确性。
19.(2)本发明差分转单端放大器经过隔直电容后分别输出到多通道开关，通过外部时序控制来对前面多个通道传输过来的放大滤波后的数据进行轮流切换输出。
20.(3)本发明的可变增益放大器进一步提升前面传输过来的信号的动态范围，并且通过配置增益引脚的高低电平来选择不同的增益档位，能够分档位进行精准调节，从而激光雷达在探测近距离目标物体或者探测远距离目标时能够精准切换增益档位，从而准确响应。
21.(4)本发明采用多级结构放大电路，提升了模拟信号放大链路的动态范围，从而保证了对远近距离目标的强弱回波都能保持准确响应。
22.(5)本发明整体链路架构简单，各级放大器都有众多可选型号的商用集成电路芯片，增强了其可配置性。在实际使用时还具有低成本、稳定性好、高增益等优点。
附图说明
23.图1为本发明实施例所公开的一种激光雷达多通道模拟前端电路的原理图；
24.图2为本发明实施例所公开的一种激光雷达多通道模拟前端电路中多通道开关的通道切换时序图。
具体实施方式
25.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，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作出创造性劳动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。
26.如图1所示，一种激光雷达多通道模拟前端电路，可以应用于目前主流的平衡式单元探测器、平衡式线列探测器、平衡式面阵探测器等探测器结架构，包括多个增益放大模块1、多通道开关mux以及可变增益放大器vga。
27.每个所述增益放大模块1包括两路并行的放大单元，每路放大单元包括输入端隔直电容c1、旁路滤波电容c2、跨阻放大器tia、固定增益放大器amp以及差分转单端放大器dra，所述输入端隔直电容c1的一端与探测器2的输出端连接，输入端隔直电容c1的另一端分别与旁路滤波电容c2以及跨阻放大器tia的输入端连接。输入端隔直电容c1可以有效的将探测器2转化后的光电流中的高频噪声信号进行滤除，避免后续其对回波信号的影响。旁路滤波电容c2的作用在于可以有效隔绝跨阻放大器tia的共模电平对探测器2性能的影响。
28.所述跨阻放大器tia是对信号的第一级放大，增益为60db，可以采用型号为lmh32401的跨阻放大器tia，因为线列探测器2是把接收光信号转换成交流电流信号，但是为了方便对交流信号进行放大处理，所以需要跨阻放大器tia把交流电流信号转换成交流电压信号，另一方面，跨阻放大器tia的作用还在于将单端输入信号转化为差分输出信号，目的是更好的消除信号中的共模噪声，降低其影响。具体的，所述跨阻放大器tia的两个输出端分别通过耦合电容c5和耦合电容c6与固定增益放大器amp的两个输入端连接，也即跨阻放大器tia对信号进行放大并将单端输入信号转化为差分输出信号分别输出到固定增益
放大器amp的两个输入端。耦合电容c5和耦合电容c6分别和固定增益放大器amp进行交流耦合，避免跨阻放大器tia和固定增益放大器amp之间共模电平的相互影响。
29.所述固定增益放大器amp的作用是将信号再放大60db，进一步提升信号处理链路的动态范围，其型号可以是ad8350。考虑单通道一对平衡式信号链路也即每个增益放大模块1在经过固定增益放大器amp后将会产生4路信号，多通道情况下将会更多，不利于后端进行进一步的数字化处理。因此设定差分转单端放大器dra，其增益为0db，目的是将从固定增益放大器amp输出的差分信号相减，消除共模噪声的同时减小了输出通路数量，其型号可以为ad8130。具体的，固定增益放大器amp的两个输出端分别通过耦合电容c9和耦合电容c10与差分转单端放大器dra的两个输入端连接。差分转单端放大器dra进行差分信号相减并输出，所述差分转单端放大器dra的输出端与隔直电容c13的一端连接，隔直电容c13的另一端作为放大单元的输出端口。图1中channel1至channel8表示8个增益放大模块1，本实施例只是以8个增益放大模块1进行举例，实际应用中增益放大模块1可以少于8个也可以多余8个，并不限制数量。图1中电容c3、电容c4、电容c7、电容c8、电容c11、电容c12、电容c14均在另一路放大单元上，该放大单元与上文描述的放大单元整体构成一个增益放大模块1，该放大单元的具体电路结构与上文所述的放大单元结构相同，在此不做赘述。
30.信号从差分转单端放大器dra出来后，由于多通道输出不能同时进行信号数字化采集，考虑后端电路的适配性，设置了多通道开关mux。每个增益放大模块1的每路放大单元的输出端分别连接多通道开关mux的一个输入通道。所述可变增益放大器vga的输入端与多通道开关mux的输出端连接。每个所述输入通道的外部时序控制信号的工作时序与其他输入通道的工作时序不同，多个输入通道传输过来的数据轮流切换输出。如附图2所示，给出了多通道开关mux控制多通道模拟放大信号输出的简单图示，在第一个时钟周期内打开第一个通道对应开关，即第一个通道会输出到可调增益放大器进行进一步放大，在第二个时钟周期内会切换打开第二个通道，第二个通道的信号便输出到可调增益放大器，以此类推，直到8个通道全部输出完毕。
31.所述可变增益放大器vga的作用是为了进一步微调激光雷达信号输出的动态范围，本实施例中其具有8级增益可调，增益放大范围为5db-40db，通过三个增益引脚配置不同电平来实现，通过配置增益引脚的高低电平来选择不同的增益档位。如下表1所示，给出了可调增益放大器在不同增益情况下的增益引脚g3、g2、g1的引脚配置方式，即可通过各引脚的高低电平来配置不同的增益。即从g3、g2、g1分别配置000为5db增益档位、配置001为10db增益档位、配置010为15db增益档位、配置011为20db增益档位、配置100为25db增益档位、配置101为30db增益档位、配置110为35db增益档位、配置111为40db增益档位。
32.表1不同增益情况下的增益引脚g3、g2、g1的引脚配置方式
[0033] g1g2g35db00010db00115db01020db01125db10030db101
35db11040db111
[0034]
继续参阅图1，作为进一步的改进，本发明所述激光雷达多通道模拟前端电路还包括数据采集卡daq和上位机，所述数据采集卡daq的信号采集端通过电容c15与可变增益放大器vga的输出端连接，所述上位机与数据采集卡daq通信连接。可变增益放大器vga的输出数据可由数据采集卡daq读取并采集信号，并在上位机上对信号进行求解，完成复杂的信号处理算法等功能，具体求解过程不是本发明的改进点，在此不做赘述。
[0035]
通过以上技术方案，本发明可以应用于目前主流的平衡式单元探测器2、平衡式线列探测器2、平衡式面阵探测器2等探测器2结架构，同时电路输入端进行了电容耦合和旁路电容滤波处理，一方面可以有效隔绝放大器的共模电平对探测器2的影响，另一方面旁路对地电容可以将探测器2转化后的高频噪声信号进行滤除，避免后续其对回波信号的影响。同时为了提升整个系统信号处理链路的动态范围，采用多级结构放大电路，提升了模拟信号放大链路的动态范围，从而保证了对远近距离目标的强弱回波都能保持准确响应。同时整体链路架构简单，各级放大器都有众多可选型号的商用集成电路芯片，增强了其可配置性。在实际使用时还具有低成本、架构简单、稳定性好、高增益等特点。
[0036]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种激光雷达多通道模拟前端电路，其特征在于，包括多个增益放大模块，每个所述增益放大模块包括两路并行的放大单元，每路放大单元包括输入端隔直电容、旁路滤波电容、跨阻放大器、固定增益放大器以及差分转单端放大器，所述输入端隔直电容的一端与探测器的输出端连接，输入端隔直电容的另一端分别与旁路滤波电容以及跨阻放大器的输入端连接，跨阻放大器对信号进行放大并将单端输入信号转化为差分输出信号分别输出到固定增益放大器的两个输入端，固定增益放大器的两个输出端分别与差分转单端放大器的两个输入端连接，差分转单端放大器进行差分信号相减并输出，差分转单端放大器的输出端作为放大单元的输出端口。2.根据权利要求1所述的一种激光雷达多通道模拟前端电路，其特征在于，所述每路放大单元还包括耦合电容c5和耦合电容c6，所述跨阻放大器的两个输出端分别通过耦合电容c5和耦合电容c6与固定增益放大器的两个输入端连接。3.根据权利要求1所述的一种激光雷达多通道模拟前端电路，其特征在于，所述每路放大单元还包括耦合电容c9和耦合电容c10，所述固定增益放大器的两个输出端分别通过耦合电容c9和耦合电容c10与差分转单端放大器的两个输入端连接。4.根据权利要求1所述的一种激光雷达多通道模拟前端电路，其特征在于，所述每路放大单元还包括隔直电容c13，所述差分转单端放大器的输出端与隔直电容c13的一端连接，隔直电容c13的另一端作为放大单元的输出端口。5.根据权利要求1所述的一种激光雷达多通道模拟前端电路，其特征在于，还包括多通道开关，每个增益放大模块的每路放大单元的输出端分别连接多通道开关的一个输入通道。6.根据权利要求5所述的一种激光雷达多通道模拟前端电路，其特征在于，每个所述输入通道的外部时序控制信号的工作时序与其他输入通道的工作时序不同，多个输入通道传输过来的数据轮流切换输出。7.根据权利要求5所述的一种激光雷达多通道模拟前端电路，其特征在于，还包括可变增益放大器，所述可变增益放大器的输入端与多通道开关的输出端连接。8.根据权利要求7所述的一种激光雷达多通道模拟前端电路，其特征在于，所述可变增益放大器包括增益引脚，通过配置增益引脚的高低电平来选择不同的增益档位。9.根据权利要求7所述的一种激光雷达多通道模拟前端电路，其特征在于，还包括数据采集卡和上位机，所述数据采集卡的信号采集端与可变增益放大器的输出端连接，所述上位机与数据采集卡通信连接。10.根据权利要求1所述的一种激光雷达多通道模拟前端电路，其特征在于，所述探测器包括平衡式单元探测器、平衡式线列探测器或平衡式面阵探测器。

技术总结
本发明公开了一种激光雷达多通道模拟前端电路，包括多个增益放大模块，每个所述增益放大模块包括两路并行的放大单元，每路放大单元包括输入端隔直电容、旁路滤波电容、跨阻放大器、固定增益放大器以及差分转单端放大器，输入端隔直电容的一端与探测器的输出端连接，输入端隔直电容的另一端分别与旁路滤波电容以及跨阻放大器的输入端连接，跨阻放大器对信号进行放大并将单端输入信号转化为差分输出信号分别输出到固定增益放大器的两个输入端，固定增益放大器的两个输出端分别与差分转单端放大器的两个输入端连接，差分转单端放大器的输出端作为放大单元的输出端口；本发明的优点在于：提高激光雷达的探测结果的准确性。提高激光雷达的探测结果的准确性。提高激光雷达的探测结果的准确性。


技术研发人员：赵毅强 李志伟 谢继勇 何家骥 李尧
受保护的技术使用者：安徽卓湛电子科技有限公司
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/8/4