针对直流量消除的FMCW激光雷达系统及控制方法与流程

针对直流量消除的fmcw激光雷达系统及控制方法
技术领域
1.本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种针对直流量消除的fmcw激光雷达系统及控制方法。

背景技术：

2.激光雷达系统是以发射激光信号探测目标的位置、速度等特征量的系统，近年来广泛应用在无人驾驶、工业测量、机器人、无人机、遥感等领域。其中，调频连续波(frequency modulated continuous wave，fmcw)激光雷达由于具备可测速、对人眼安全、激光功率低等优势而逐渐成为研究热点。
3.fmcw主要通过发送和接收连续激光束，把回波光和本振做干涉，并利用混频探测技术来测量发送和接收的频率差异，再通过频率差换算出目标物的距离。具体而言，激光束击中目标物后被反射，而反射会影响光的频率——如果目标物向车辆走来，频率会升高；如果目标物和车辆同方向行走，则频率会降低；当反射光返回到探测器，与发射时的频率相比，就能测量两种频率之间的差值，从而计算出物体的距离信息。
4.在智能车无人驾驶领域，激光雷达已经成为公认的必备技术手段。通过车载激光探测器，智能车能够获取前方道路和行人的距离信息，感知障碍物，实现辅助驾驶和自动驾驶。激光测距系统中，距离越远回波信号越弱；距离越近回波信号越强。在室外测量时，尤其是在雨天、雾天、雪天等恶劣天气的情况下，容易受外界环境背景光或杂散信号光的影响，造成信噪比恶化，灵敏度下降，以致限制了系统的最远探测距离。
5.激光雷达系统探测距离大小对应于链路输入动态范围，宽的输入动态范围可以使系统探测范围更广、探测距离更远、探测精度更高，同时其设计难度也更大。
6.在实际应用中，探测器本身有直流量及环境光等因素会使探测器产生直流量，尤其是fmcw系统中用于处理的光电流是由本振光和回波光混频后经探测器响应产生的，混频光中含有直流量，以上直流量经过接收模块的转换和放大占用部分动态范围，进而降低了探测距离和精度。
7.因此，如何消去直流量是亟需解决的问题，在系统架构中消除直流量主要由两种方式：，其一为板级采用交流耦合方式，借助电容电阻形成滤波器滤除直流量；其二为采用具有直流量消除功能的芯片搭建系统架构。第一种方式的电阻电容对应的时间常数大，对信号传输有延时且增益非线性，此外电容的存在限制了在线列和面阵发展趋势中的应用；第二种方式是从芯片选择角度设计系统架构，但目前市场上仅有国外的2款芯片(ltc6563、lmh32401)可用且由于禁运很难采购应用。
8.为了消除直流量增大动态范围、提升系统探测距离，同时为后续探测处理电路设计提供便利，亟需设计一种针对直流量消除的fmcw激光雷达系统架构，将线列或面阵探测器每一元接收到的回波进行处理，这对阵列激光雷达系统的开发是非常有价值的。
9.相关技术中，公布号为cn106501789a的中国发明专利文献记载了一种应用在机载激光雷达中的信号处理系统架构，包括fpga、pmt探测器和跨阻放大器，pmt探测器将探测到
激光回波信号转化成电流信号；光电流经过跨阻放大器转化成模拟电压信号，跨阻放大器输出的模拟电压信号分为a、b和c三路分别进行高增益放大器、中增益放大器和低增益放大器进行放大后再分别通过一adc转换成数字信号，即为海底adc输出信号；fpga接收来自海底adc输出信号、海陆线扫测高系统的海面数据以及电本振信号，从而实现门控电路的控制以及海底距离的测算。
10.但该方案应用对象为tof激光雷达，探测器对象为pmt探测器(光电倍增管)，核心功能为跨阻放大器实现i-v转换、a/b/c三档增益分别对输出的模拟信号放大再分别通过adc转换成数字信号。
11.公布号为cn112782670a的中国发明专利文献记载了一种适用于激光雷达模拟前端的小信号放大电路，包括：输入电路、预放大电路、第一、第二级电压放大器、自触发使能控制电路、自适应增益控制电路、选择器以及输出电路；预放大电路与输入电路相连；第一级电压放大器与预放大电路相连；第二、第一级电压放大器相连；自触发使能控制电路与第二级电压放大器相连；自适应增益控制电路与预放大电路以及第一级电压放大器相连；自适应增益控制电路与自触发使能控制电路相连；选择器与预放大电路、第一、第二级电压放大器相连；选择器还与自适应增益控制电路相连；输出电路与选择器相连。
12.该方案应用对象为tof激光雷达，侧重于电路模块架构，核心组成包含输入电路、预放大电路、第一、第二级电压放大器、自触发使能控制电路、自适应增益控制电路、选择器以及输出电路，核心主要实现信号放大；涉及动态范围的为自触发使能控制电路、自适应增益控制电路、选择器，自适应增益控制电路由2个比较器(分别对应前端两个放大模块)和逻辑电路组成，其输出(s1，s2，s3)的高低电平分别反馈控制前端增益，为下一次探测做准备，从而增大动态范围。

技术实现要素：

13.本发明所要解决的技术问题在于如何提供一种针对直流量消除的fmcw激光雷达系统架构，通过消除直流量增大系统的动态范围。
14.本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
15.本发明提出了一种针对直流量消除的fmcw激光雷达系统，所述系统包括：光学及探测器模块、信号放大转换模块和数据处理模块，所述光学及探测器模块包括探测器阵列，所述信号放大转换模块包括模拟放大阵列、差分转单端阵列、多路选择器和可变增益放大器，所述数据处理模块包括模数转换器和fpga芯片，所述模拟放大阵列采用差分结构；
16.所述探测器阵列的输出经所述模拟放大阵列与所述差分转单端阵列连接，所述差分转单端阵列的输出经所述多路选择器与所述可变增益放大器连接；
17.所述可变增益放大器的输出与所述模数转换器连接，所述模数转换器的输出与所述fpga芯片连接，所述fpga芯片的地址选通输出端和增益控制端分别与所述多路选择器和所述可变增益放大器连接。
18.本发明中探测器输出的回波光电流信号微弱且不易于后级处理，通过设置模拟放大阵列对回波光电流信号进行转换和放大，便于后级处理；模拟放大阵列为差分结构以提升对噪声的抑制能力，并增加差分转单端阵列实现多路选择器同步控制对应探测器元的通路的输出，考虑到目标在距离较近和距离较远时的电流信号强度差距、以及直流量的影响，
接收链路增益由可变增益放大器补偿，通过改变增益档位控制输出信号的幅值，同时其差分结构对共模的抑制实现了对探测器对应像元直流量的消除。利用本发明提出的针对直流量消除的fmcw激光雷达系统代替传统的电容隔直方案，可避免信号传输延时大和信号频率分量失真，通过消除直流分量增大系统动态范围即反映系统探测距离，同时直流量的去除增大了有用信号的可用空间，间接提升信噪比，降低对后端信噪比需求，顺应激光雷达线列化的发展趋势。
19.进一步地，所述模拟放大阵列包括跨阻放大器阵列和电压放大器阵列，所述探测器阵列的输出与所述跨阻放大器阵列连接，所述跨阻放大器阵列的输出与所述电压放大器阵列连接。
20.进一步地，所述光学及探测器模块包括光学组件和探测器阵列，所述光学组件包括激光器、光纤耦合器、光纤环形器和功率分光镜；
21.所述光纤耦合器布置在所述激光器发射的连续扫频激光路径上，所述激光器发射的连续扫频激光经所述光纤耦合器分离成两路光分量，一路光分量的传输路径上布置有所述光纤环形器，另一路光分量的传输路径与所述光纤环形器的输出光路径交点处布置所述功率分光镜；
22.所述光纤环形器的输出光路径上布置有待测目标，所述功率分光镜的输出光路径上布置所述探测器阵列。
23.进一步地，所述跨阻放大器阵列中跨阻放大器数量、所述电压放大器阵列中电压放大器数量与所述探测器阵列中探测器的数量相同；所述多路选择器的总通道数与所述探测器阵列中探测器的数量相同。
24.进一步地，所述模数转换器采用分时复用结构。
25.此外，本发明还提出了一种如上所述的针对直流量消除的fmcw激光雷达系统的控制方法，所述方法包括：
26.利用所述信号放大转换模块将所述光学及探测器模块输出的回波光电流信号转换成电压信号并进行放大，得到电压放大信号；
27.利用所述差分转单端阵列实现所述多路选择器对所述光学及探测器模块中探测器通路的输出同步控制，输出电压放大信号至可变增益放大器，其中，所述可变增益放大器实际处理的信号为δv
in
：
28.δv
in
＝vip-vin＝2v
ac
29.vip＝(v+v
dc
)+v
ac
30.vin＝(v+v
dc
)-v
ac
31.式中：vip，vin分别是所述可变增益放大器的两个输入端；v是输入端的偏置电压；v
dc
是直流量引起的输入端偏压偏移量；v
ac
是交流量放大后对应的信号电压；
32.利用所述数据处理模块对所述可变增益放大器输出的光电信号进行解算，计算目标距离；
33.以及利用所述数据处理模块控制所述多路选择器的选通和对所述可变增益放大器的增益档位。
34.进一步地，所述利用所述信号放大转换模块将所述光学及探测器模块输出的回波光电流信号转换成电压信号并进行放大，得到电压放大信号，包括：
35.利用所述跨阻放大器阵列对所述回波光电流信号转换为电压信号；
36.利用所述电压放大器阵列对所述电压信号进行放大处理，得到所述电压放大信号。
37.进一步地，所述方法还包括：
38.利用所述光纤耦合器将所述激光器发射的连续扫频激光分离为两路第一光分量；
39.一路所述的一光分量经所述光纤环形器出射后照射目标，并产生回波光；
40.另一路所述第一光分量作为本振光和回波光经过所述功率分光镜分别产生两部分第二光分量并混频输出至所述探测器阵列；
41.利用所述探测器阵列响应产生两组光电流i
n1
和i
n2
，两组光电流的直流电流量大小相等，交流电流量相位相差180
°
，n＝1,2
…
n-1,n，n为所述探测器阵列中探测器的总数量。
42.进一步地，所述利用所述数据处理模块对所述可变增益放大器输出的光电信号进行解算，计算目标距离，包括：
43.利用所述数模转换器将所述可变增益放大器输出的光电信号转化为数字信号；
44.利用所述fpga芯片对所述数字信号进行解算，计算目标距离。
45.进一步地，所述利用所述数据处理模块控制所述多路选择器的选通和对所述可变增益放大器的增益档位，包括：
46.利用所述fpga芯片接收由所述激光器产生的激光发射同步信号，并在每接收一次同步信号时，控制所述多路选择器进行一次探测器地址选通；
47.利用所述fpga芯片针对所述可变增益放大器的不同输出信号幅值，对所述可变增益放大器的增益档位进行调节。
48.本发明的优点在于：
49.(1)探测器输出的回波光电流信号微弱且不易于后级处理，通过设置模拟放大阵列对回波光电流信号进行转换和放大，便于后级处理；模拟放大阵列为差分结构以提升对噪声的抑制能力，并增加差分转单端阵列实现多路选择器同步控制对应探测器元的通路的输出，考虑到目标在距离较近和距离较远时的电流信号强度差距、以及直流量的影响，接收链路增益由可变增益放大器补偿，通过改变增益档位控制输出信号的幅值，同时其差分结构对共模的抑制实现了对探测器对应像元直流量的消除。利用本发明提出的针对直流量消除的fmcw激光雷达系统代替传统的电容隔直方案，可避免信号传输延时大和信号频率分量失真，通过消除直流分量增大系统动态范围即反映系统探测距离，同时直流量的去除增大了有用信号的可用空间，间接提升信噪比，降低对后端信噪比需求，顺应激光雷达线列化的发展趋势。
50.(2)通过跨阻放大器(transimpedance amplifier,tia)将光电流转化为电压信号，线列或面阵探测器每一单元均需要独立的跨阻放大器，为保证接收链路优异性能，tia的增益一般不太大，因此需要后级电压放大器阵列补偿增益进一步放大信号。
51.(3)模数转换器采用分时复用结构，使模数转换器始终处于工作状态，对阵列对应元依次读出数据处理，从而降低硬件成本。
52.(4)fpga芯片对采集的数字量信号进行硬件分析和解算，实现激光测距，同时可以通过算法角度提升系统信噪比等指标。
53.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
54.图1是本发明一实施例中针对直流量消除的fmcw激光雷达系统的结构示意图；
55.图2是本发明一实施例中光学及探测器模块的结构示意图；
56.图3是本发明一实施例中信号放大转换模块的结构示意图；
57.图4是本发明一实施例中消除直流功能波形示意图；
58.图5是本发明一实施例中数据处理模块的结构示意图；
59.图6是本发明一实施例中fpga芯片控制多路选择器选通时序图；
60.图7是本发明一实施例中针对直流量消除的fmcw激光雷达系统的控制方法的流程示意图。
具体实施方式
61.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。
62.如图1所示，本发明第一实施例提出了一种针对直流量消除的fmcw激光雷达系统，所述系统包括：光学及探测器模块10、信号放大转换模块20和数据处理模块30，所述光学及探测器模块10包括探测器阵列11，所述信号放大转换模块20包括模拟放大阵列21、差分转单端阵列22、多路选择器23和可变增益放大器24，所述数据处理模块30包括模数转换器31和fpga芯片32，所述模拟放大阵列21采用差分结构；
63.所述探测器阵列11的输出经所述模拟放大阵列21与所述差分转单端阵列22连接，所述差分转单端阵列22的输出经所述多路选择器23与所述可变增益放大器24连接；
64.所述可变增益放大器24的输出与所述模数转换器31连接，所述模数转换器31的输出与所述fpga芯片32连接，所述fpga芯片32的地址选通输出端和增益控制端分别与所述多路选择器23和所述可变增益放大器24连接。
65.本实施例中光学及探测器模块10中的探测器阵列11输出的回波光电流信号微弱且不易于后级处理，通过设置模拟放大阵列21对回波光电流信号进行转换和放大，便于后级处理；模拟放大阵列21为差分结构以提升对噪声的抑制能力，并增加差分转单端阵列22实现多路选择器23同步控制对应探测器元的通路的输出，考虑到目标在距离较近和距离较远时的电流信号强度差距、以及直流量的影响，接收链路增益由可变增益放大器24补偿，通过改变增益档位控制输出信号的幅值，同时其差分结构对共模的抑制实现了对探测器对应像元直流量的消除。
66.利用本发明实施例提出的针对直流量消除的fmcw激光雷达系统代替传统的电容隔直方案，可避免信号传输延时大和信号频率分量失真，通过消除直流分量增大系统动态范围即反映系统探测距离，同时直流量的去除增大了有用信号的可用空间，间接提升信噪比，降低对后端信噪比需求，顺应激光雷达线列化的发展趋势。
67.在一实施例中，如图2所示，所述光学及探测器模块10包括光学组件和探测器阵列11，所述光学组件包括激光器12、光纤耦合器13、光纤环形器14和功率分光镜15，所述探测器阵列11为单元、线列或面阵平衡探测器；
68.所述光纤耦合器13布置在所述激光器12发射的连续扫频激光路径上，所述激光器12发射的连续扫频激光经所述光纤耦合器13分离成两路光分量，一路光分量的传输路径上布置有所述光纤环形器14，另一路光分量的传输路径与所述光纤环形器14的输出光路径交点处布置所述功率分光镜15；
69.所述光纤环形器14的输出光路径上布置有待测目标，所述功率分光镜15的输出光路径上布置所述探测器阵列11。
70.需要说明的是，在此fmcw激光雷达系统中，探测器模块包含两个相同的探测器阵列11以构成平衡探测器对，一般选择共n或共p电极pin。
71.具体地，激光器12发射连续的扫频激光，经过光纤耦合器13实现功率分离，一部分光分量l1用于照射目标，另一部分光分量作为本振光l0和回波光(照射目标反射得到的)进行混频从而增强回波光信号强度。通常本振光l0占用总激光功率较小分量，大部分激光功率作为照射目标用以收集回波l
1r
，这也和激光在大气中传输衰减很大，影响因素较多有关。
72.具体地，光学及探测器模块10中完成激光发射、回波(l1)与本振光(l0)混频、一对由探测器阵列n1和n2组成的平衡探测器响应产生光电流(i
n1
和i
n2
)，其中i
n1
和i
n2
包含交流电流分量和直流电流分量，且直流量相等，交流量大小相等方向相反。
73.在一实施例中，如图3所示，所述模拟放大阵列21包括跨阻放大器阵列和电压放大器阵列，所述探测器阵列11的输出与所述跨阻放大器阵列连接，所述跨阻放大器阵列的输出与所述电压放大器阵列连接。
74.在一实施例中，所述跨阻放大器阵列中跨阻放大器数量、所述电压放大器阵列中电压放大器数量与所述探测器阵列11中探测器的数量相同；所述多路选择器23的总通道数与所述探测器阵列11中探测器的数量相同。
75.需要说明的是，探测器输出的回波光电流信号微弱且不易于后级处理，通过跨阻放大器tia将光电流转化为电压信号，线列或面阵探测器每一单元均需要独立的跨阻放大器，因此需要根据阵列探测器的探测器单元数量设置等量的跨阻放大器阵列。而为保证接收链路优异性能，tia的增益一般不太大需要后级电压放大器阵列补偿增益进一步放大信号。
76.具体地，由于本实施例中跨阻放大器和电压放大器为差分结构以提升对噪声的抑制能力，系统中为了和多路选择器23匹配，增加差分转单端阵列22实现多路选择器23对对应探测器元的通路的输出同步控制，即探测器阵列11n1对应的开关s1(s2
…
sn)与探测器阵列11n2对应的开关s1(s2
…
sn)被同步控制同时闭合或断开。
77.需要说明的是，此处多路选择器23可以单个或多个，但其控制的总通道n与探测器阵列11元数是相等的。
78.具体地，信号转换放大模块的工作原理为：跨阻放大器n1和n2分别与探测器n1和n2相连接，完成对光电流i
n1
和i
n2
的i-v转换并放大，电压放大器n1和n2对信号进一步放大，差分转单端n1和n2对前级的差分信号做单端输出处理得到(v+v
dc
)+v
ac
和(v+v
dc
)-v
ac
，其中，v是输出共模电压，v
dc
是i
dc
(直流光电流)经过放大后的得到，v
ac
是i
ac
(交流光电流)经过放
大后的得到。对于一个平衡探测器而言，差分转单端n1和差分转单端n2的输出直接与可变增益放大器24的输入连接，借助放大器特性实现直流量的消除并完成信号的进一步放大，其增益由fpga芯片32控制。
79.当平衡探测器为阵列n对组成，由于可变增益放大器24(vga)是1个，在差分转单端和可变增益放大器24间增加多路选择器23n:1，用于实现依次选通。假设有4对平衡探测器，多路选择器23为4：1即4选1开关功能，s1、s2、s3、s4分别连接差分转单端11、12，差分转单端21、22，差分转单端31、32，差分转单端41、42，且同一时刻只有一个开关闭合通路选通。其中11、21、31、41对应差分转单端阵列22n1，12、22、32、42对应差分转单端阵列22n2。
80.在一实施例中，可变增益放大器24的两个输入端vip和vin，分别对应差分转单端n1和n2的输出端：
81.vip＝(v+v
dc
)+v
ac
82.vin＝(v+v
dc
)-v
ac
83.其中，v是输入端的偏置电压，v
dc
是直流量引起的输入端偏压偏移量，v
ac
是交流量放大后对应的信号电压。
84.因此，可变增益放大器24实际处理的信号为δv
in
，实现直流量消除功能：
85.δv
in
＝vip-vin＝2v
ac
。
86.该系统总体目标在于实现对混频后连续光信号的读出、采集和分析，并消除光电流中的直流量，如图4所示，混频后的光信号经过探测器转化为光电流，通过信号放大转换将光电流转化为幅值合适的电压信号，最后经模数转换器31adc采集交给fpga芯片32进行信号处理。
87.在一实施例中，如图5所示，数据处理模块30包含模数转换器31adc和现场可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)，主要实现回波信号的量化、多路选择器23的选通控制、可变增益放大器24的增益档位选择、回波数据的采集和分析解算处理等。
88.可变增益放大器24输出的光电信号经过adc量化后，变成数字信号被fpga芯片32接收，由fpga芯片32对采集的数据进行硬件分析和解算，实现激光测距，同时可以通过算法角度提升系统信噪比等指标。
89.进一步地，fpga芯片32还用于接收由激光器12产生的激光发射同步信号，每接收一次同步信号，表示一个周期探测信号完成。fpga控制多路选择器23的一次选通，每接收一次同步信号，表示选通地址完成阵列探测器所有元的一次探测，通过fpga实现上述多路选择器23的依次选通配置，如图6所示。
90.在一实施例中，所述模数转换器31采用分时复用结构。
91.需要说明的是，如果将所有数据全部上传分析，对adc要求较高，且数据量巨大消耗大量后端资源最终无法处理数据。因此采用分时复用结构，使adc始终处于工作状态，对阵列对应元依次读出数据处理，从而降低硬件成本。
92.本实施例通过光学及探测器模块10产生直流量相同、交流电流量大小相等的电流，经过跨阻放大器和电压放大器的转换放大，最后由差分转单端和可变增益放大器24借助放大器自身特性消除信号中直流量，保证最终输出为有效信号分量，实现动态范围和信噪比的提升。此系统架构为fmcw激光雷达消除直流量提出解决方案，可实现对单元、线列或面阵平衡探测器的每一元激光回波信号进行直流量消除、转换放大、采集、存储和分析，提
升系统信噪比、动态范围和探测距离范围，顺应激光雷达线列化的发展趋势，为后续激光雷达系统处理架构的设计提供参考。
93.此外，如图7所示，本发明第二实施例提出了一种针对直流量消除的fmcw激光雷达系统的控制方法，所述方法包括以下步骤：
94.s10、利用所述信号放大转换模块将所述光学及探测器模块输出的回波光电流信号转换成电压信号并进行放大，得到电压放大信号；
95.s20、利用所述差分转单端阵列实现所述多路选择器对所述光学及探测器模块中探测器通路的输出同步控制，输出电压放大信号至可变增益放大器，其中，所述可变增益放大器实际处理的信号为δv
in
：
96.δv
in
＝vip-vin＝2v
ac
97.vip＝(v+v
dc
)+v
ac
98.vin＝(v+v
dc
)-v
ac
99.式中：vip，vin分别是所述可变增益放大器的两个输入端；v是输入端的偏置电压；v
dc
是直流量引起的输入端偏压偏移量；v
ac
是交流量放大后对应的信号电压；
100.s30、利用所述数据处理模块对所述可变增益放大器输出的光电信号进行解算，计算目标距离；
101.s40、利用所述数据处理模块控制所述多路选择器的选通和对所述可变增益放大器的增益档位。
102.本实施例通过利用模拟放大阵列对光学及探测器模块输出的回波光电信号进行转换放大，最后由差分转单端和可变增益放大器借助放大器自身特性消除信号中直流量，保证最终输出为有效信号分量，实现动态范围和信噪比的提升。同时考虑到目标在距离较近和距离较远时的电流信号强度差距、以及直流量的影响，接收链路增益由可变增益放大器补偿，通过改变增益档位控制输出信号的幅值，即远距离配置高档位增益、近距配置低档位增益。
103.在一实施例中，所述步骤s10：利用所述信号放大转换模块将所述光学及探测器模块输出的回波光电流信号转换成电压信号并进行放大，得到电压放大信号，包括以下步骤：
104.利用所述跨阻放大器阵列对所述回波光电流信号转换为电压信号；
105.利用所述电压放大器阵列对所述电压信号进行放大处理，得到所述电压放大信号。
106.在一实施例中，所述方法还包括以下步骤：
107.利用所述光纤耦合器将所述激光器发射的连续扫频激光分离为两路第一光分量；
108.一路所述的一光分量经所述光纤环形器出射后照射目标，并产生回波光；
109.另一路所述第一光分量作为本振光和回波光经过所述功率分光镜分别产生两部分第二光分量并混频输出至所述探测器阵列；
110.利用所述探测器阵列响应产生两组光电流i
n1
和i
n2
，两组光电流的直流电流量大小相等，交流电流量相位相差180
°
，n＝1,2
…
n-1,n，n为所述探测器阵列中探测器的总数量。
111.进一步地，激光器发射连续的扫频激光，经过光纤耦合器实现功率分离，一部分光分量l1用于照射目标，另一部分光分量作为本振光l0和回波光(照射目标反射得到的)进行
混频从而增强回波光信号强度。通常本振光l0占用总激光功率较小分量，大部分激光功率作为照射目标用以收集回波l1r，这也和激光在大气中传输衰减很大，影响因素较多有关，公式如下：
[0112][0113]
式中：p
l1
为光分量l1的光功率，a为激光在大气中的传输效率，ρ为目标反射率，ar为目标的面积，r为目标距离。
[0114]
进一步地，本振光和回波光经过功率分光镜分别产生2部分光分量并混频，经过探测器阵列n1和n2构成的n对平衡探测器响应产生对应的2组光电流in1和in2(n＝1,2
…
n-1,n)，光电流特点为直流电流量大小相等，交流电流量相位相差180
°
，公式如下：
[0115]in1
＝i
dc
+i
ac
[0116]in2
＝i
dc-i
ac
[0117]
其中，i
dc
为电流的直流量，i
ac
为电流的交流量。
[0118]
在一实施例中，所述步骤s30：利用所述数据处理模块对所述可变增益放大器输出的光电信号进行解算，计算目标距离，包括以下步骤：
[0119]
利用所述数模转换器将所述可变增益放大器输出的光电信号转化为数字信号；
[0120]
利用所述fpga芯片对所述数字信号进行解算，计算目标距离。
[0121]
在一实施例中，所述步骤s40：利用所述数据处理模块控制所述多路选择器的选通和对所述可变增益放大器的增益档位，包括以下步骤：
[0122]
利用所述fpga芯片接收由所述激光器产生的激光发射同步信号，并在每接收一次同步信号时，控制所述多路选择器进行一次探测器地址选通；
[0123]
利用所述fpga芯片针对所述可变增益放大器的不同输出信号幅值，对所述可变增益放大器的增益档位进行调节。
[0124]
具体到本发明实施例中，假设线列平衡探测器为4线列(2个相同的4线列pin)，经上述分析，探测器阵列n1和n2分别产生的光电流为i
n1
和i
n2
(n＝1,2,3,4)，光电流分别经过对应阵列中的跨阻放大器实现i-v转换，电压放大器进一步放大信号，差分转单端实现信号单端输出。多路选择器为4选1，2个相同的多路选择器分别与差分转单端阵列相连，且多路选择器中的开关s1、s2、s3、s4分别与差分转单端阵列中的4个单端输出相连，s1、s2、s3、s4依次闭合代表选通此信号输出至可变增益放大器，其选通时序可由fpga芯片控制如图6，高电平代表开关闭合，t代表设置的一个选通周期，一般与激光重频一致。
[0125]
2个多路选择器分别输出一个信号作为可变增益放大器的输入信号，分别为vip和vin，经过可变增益放大器把前面所述由直流电流引起的差分转单端的直流电压偏移作为共模加以抑制，实现了直流量消除功能并进一步放大有用信号传至模数转换器。可变增益放大器通过fpga芯片调控增益，模数转换器对可变增益放大器的输出进行采样量化和读出后，交由fpga进行分析，根据模数转换器的输出值fpga反馈给可变增益放大器是否需要更改增益。
[0126]
具体地，当可变增益放大器增益为3级档位(高中低)非连续可调，模数转换器满量程为1v，起始处于低增益档位且其输出峰值小于500mv时，fpga发出指令配置可变增益放大器增益调至中增益档位，若其输出峰值仍小于500mv时，fpga发出指令配置可变增益放大器
增益调至高增益档位；起始处于高增益档位且其输出峰值大于1v时，fpga发出指令配置可变增益放大器增益调至中增益档位，若其输出峰值仍小于1v时，fpga发出指令配置可变增益放大器增益调至高增益档位。
[0127]
需要说明的是，前端处理电路的输入动态范围是一个重要性能指标，尤其针对fmcw激光雷达系统，本振光的存在引入了较大的直流电流量，以及环境光如太阳光也会引入直流电流量，直流电流量的存在占据了有用信号的摆幅空间，造成动态范围降低。本发明实施例基于fmcw激光雷达提出了一种直流量消除的系统架构，代替传统的电容隔直方案避免信号传输延时大和信号频率分量失真，通过消除直流分量增大系统动态范围即反映系统探测距离，同时直流量的去除增大了有用信号的可用空间，间接提升信噪比，降低对后端信噪比需求，顺应激光雷达线列化的发展趋势。
[0128]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0129]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0130]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：

1.一种针对直流量消除的fmcw激光雷达系统，其特征在于，所述系统包括：光学及探测器模块、信号放大转换模块和数据处理模块，所述光学及探测器模块包括探测器阵列，所述信号放大转换模块包括模拟放大阵列、差分转单端阵列、多路选择器和可变增益放大器，所述数据处理模块包括模数转换器和fpga芯片，所述模拟放大阵列采用差分结构；所述探测器阵列的输出经所述模拟放大阵列与所述差分转单端阵列连接，所述差分转单端阵列的输出经所述多路选择器与所述可变增益放大器连接；所述可变增益放大器的输出与所述模数转换器连接，所述模数转换器的输出与所述fpga芯片连接，所述fpga芯片的地址选通输出端和增益控制端分别与所述多路选择器和所述可变增益放大器连接。2.如权利要求1所述的针对直流量消除的fmcw激光雷达系统，其特征在于，所述模拟放大阵列包括跨阻放大器阵列和电压放大器阵列，所述探测器阵列的输出与所述跨阻放大器阵列连接，所述跨阻放大器阵列的输出与所述电压放大器阵列连接。3.如权利要求1所述的针对直流量消除的fmcw激光雷达系统，其特征在于，所述光学及探测器模块包括光学组件和探测器阵列，所述光学组件包括激光器、光纤耦合器、光纤环形器和功率分光镜，所述探测器阵列为单元、线列或面阵平衡探测器；所述光纤耦合器布置在所述激光器发射的连续扫频激光路径上，所述激光器发射的连续扫频激光经所述光纤耦合器分离成两路光分量，一路光分量的传输路径上布置有所述光纤环形器，另一路光分量的传输路径与所述光纤环形器的输出光路径交点处布置所述功率分光镜；所述光纤环形器的输出光路径上布置有待测目标，所述功率分光镜的输出光路径上布置所述探测器阵列。4.如权利要求2所述的针对直流量消除的fmcw激光雷达系统，其特征在于，所述跨阻放大器阵列中跨阻放大器数量、所述电压放大器阵列中电压放大器数量与所述探测器阵列中探测器的数量相同；所述多路选择器的总通道数与所述探测器阵列中探测器的数量相同。5.如权利要求1所述的针对直流量消除的fmcw激光雷达系统，其特征在于，所述模数转换器采用分时复用结构。6.一种如权利要求1-5任一项所述的针对直流量消除的fmcw激光雷达系统的控制方法，其特征在于，所述方法包括：利用所述信号放大转换模块将所述光学及探测器模块输出的回波光电流信号转换成电压信号并进行放大，得到电压放大信号；利用所述差分转单端阵列实现所述多路选择器对所述光学及探测器模块中探测器通路的输出同步控制，输出电压放大信号至可变增益放大器，其中，所述可变增益放大器实际处理的信号为δv
in
：δv
in
＝vip-vin＝2v
ac
vip＝(v+v
dc
)+v
ac
vin＝(v+v
dc
)-v
ac
式中：vip，vin分别是所述可变增益放大器的两个输入端；v是输入端的偏置电压；v
dc
是直流量引起的输入端偏压偏移量；v
ac
是交流量放大后对应的信号电压；利用所述数据处理模块对所述可变增益放大器输出的光电信号进行解算，计算目标距
离；以及利用所述数据处理模块控制所述多路选择器的选通和对所述可变增益放大器的增益档位。7.如权利要求6所述的针对直流量消除的fmcw激光雷达系统的控制方法，其特征在于，所述利用所述信号放大转换模块将所述光学及探测器模块输出的回波光电流信号转换成电压信号并进行放大，得到电压放大信号，包括：利用所述跨阻放大器阵列对所述回波光电流信号转换为电压信号；利用所述电压放大器阵列对所述电压信号进行放大处理，得到所述电压放大信号。8.如权利要求6所述的针对直流量消除的fmcw激光雷达系统的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：利用所述光纤耦合器将所述激光器发射的连续扫频激光分离为两路第一光分量；一路所述的一光分量经所述光纤环形器出射后照射目标，并产生回波光；另一路所述第一光分量作为本振光和回波光经过所述功率分光镜分别产生两部分第二光分量并混频输出至所述探测器阵列；利用所述探测器阵列响应产生两组光电流i
n1
和i
n2
，两组光电流的直流电流量大小相等，交流电流量相位相差180
°
，n＝1,2
…
n-1,n，n为所述探测器阵列中探测器的总数量。9.如权利要求6所述的针对直流量消除的fmcw激光雷达系统的控制方法，其特征在于，所述利用所述数据处理模块对所述可变增益放大器输出的光电信号进行解算，计算目标距离，包括：利用所述数模转换器将所述可变增益放大器输出的光电信号转化为数字信号；利用所述fpga芯片对所述数字信号进行解算，计算目标距离。10.如权利要求6所述的针对直流量消除的fmcw激光雷达系统的控制方法，其特征在于，所述利用所述数据处理模块控制所述多路选择器的选通和对所述可变增益放大器的增益档位，包括：利用所述fpga芯片接收由所述激光器产生的激光发射同步信号，并在每接收一次同步信号时，控制所述多路选择器进行一次探测器地址选通；利用所述fpga芯片针对所述可变增益放大器的不同输出信号幅值，对所述可变增益放大器的增益档位进行调节。

技术总结

本发明公开一种针对直流量消除的FMCW激光雷达系统及控制方法，系统中光学及探测器模块包括探测器阵列，信号放大转换模块包括模拟放大阵列、差分转单端阵列、多路选择器和可变增益放大器，数据处理模块包括模数转换器和FPGA，模拟放大阵列采用差分结构；探测器阵列的输出经模拟放大阵列与差分转单端阵列连接，差分转单端阵列的输出经多路选择器与可变增益放大器连接；可变增益放大器的输出与模数转换器连接，模数转换器的输出与FPGA连接，FPGA的地址选通输出端和增益控制端分别与多路选择器和可变增益放大器连接。本发明通过消除直流分量增大系统动态范围即反映系统探测距离。流分量增大系统动态范围即反映系统探测距离。流分量增大系统动态范围即反映系统探测距离。