本發(fā)明涉及一種激光雷達(dá)裝置，特別是一種線陣實時成像脈沖激光雷達(dá)裝置。
背景技術(shù)：
隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光雷達(dá)技術(shù)由單點快速掃描探測成像向著線陣實時成像方向發(fā)展。線陣實時成像可大幅度的提高距離成像的幀頻，在測量測繪、工業(yè)生產(chǎn)、軍事偵察、航空航天等諸多領(lǐng)域均具有廣闊的應(yīng)用前景。
現(xiàn)有的采用脈沖飛行時間測距原理的線陣激光雷達(dá)技術(shù)通常是將激光器輸出的激光束整形成條形激光發(fā)射，然后由線陣APD探測器進(jìn)行激光回波接收，APD探測器輸出的激光回波電信號經(jīng)放大、整形后，作為計時停止信號控制計時電路給出目標(biāo)距離。這種實現(xiàn)方法采用了泛光照明技術(shù)，考慮到線陣APD探測器的敏感元有一定的占空比，這使得發(fā)射激光能量的利用率較低，難以實現(xiàn)大視場工作，且不利于小型化和低功耗設(shè)計。線陣APD探測器中不同敏感元具有不同的雪崩點，且隨環(huán)境溫度和背景光的變化而變化，因此需要進(jìn)行線陣APD探測器陣列工作點的可靠控制，在現(xiàn)有技術(shù)中未述及，這導(dǎo)致線陣激光雷達(dá)的高低溫環(huán)境和背景光環(huán)境的適應(yīng)能力較差。在信號處理上，現(xiàn)有技術(shù)采用了高精度計時電路或時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換(TDC)電路，未述及測距回波信號的預(yù)處理問題，使得線陣激光雷達(dá)難以在低信噪比條件下實現(xiàn)測距的高準(zhǔn)測率。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種線陣實時成像脈沖激光雷達(dá)裝置。
實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種線陣實時成像脈沖激光雷達(dá)裝置，包括第一光學(xué)發(fā)射天線、第一N元激光二極管陣列、第二光學(xué)發(fā)射天線、第二N元激光二極管陣列、窄脈沖激光驅(qū)動電路、時序控制電路、光學(xué)接收天線、2N+1元APD探測器陣列、偏置高壓自動控制電路、2N+1路并行前置放大電路、2N+1路并行脈沖整形電路、2N路二進(jìn)制信號并行預(yù)處理電路和2N路并行高精度時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，第一光學(xué)發(fā)射天線和第二光學(xué)發(fā)射天線的光軸平行，且焦面上分別設(shè)置第一N元激光二極管陣列和第二N元激光二極管陣列，第一N元激光二極管陣列和第二N元激光二極管陣列的中 心在焦面內(nèi)相向偏離第一光學(xué)發(fā)射天線和第二光學(xué)發(fā)射天線的焦點1/2像元間隔；
第一N元激光二極管陣列和第二N元激光二極管陣列均與窄脈沖激光驅(qū)動電路相連；光學(xué)接收天線的光軸與第一光學(xué)發(fā)射天線和第二光學(xué)發(fā)射天線的光軸平行，且在焦面上設(shè)置2N+1元APD探測器陣列，其接收視場一一覆蓋第一N元激光二極管陣列和第二N元激光二極管陣列形成的發(fā)射光斑；2N+1元APD探測器陣列的高壓供電端與偏置高壓自動控制電路相連，2N+1元APD探測器陣列的輸出與2N+1路并行前置放大電路的輸入相連；2N+1路并行前置放大電路的輸出與2N+1路并行脈沖整形電路的輸入相連；2N+1路并行脈沖整形電路的前2N路輸出與2N路二進(jìn)制信號并行預(yù)處理電路的輸入相連，2N+1路并行脈沖整形電路的最后一路輸出與偏置高壓自動控制電路相連；2N路二進(jìn)制信號并行預(yù)處理電路的輸出與2N路并行高精度時間-數(shù)值轉(zhuǎn)換電路的輸入相連；時序控制電路分別與窄脈沖激光驅(qū)動電路和2N路高精度時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路相連。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點為：
(1)本發(fā)明的線陣實時成像脈沖激光雷達(dá)裝置采用激光二極管陣列作為光源，同時引入了視場拼接技術(shù)，可實現(xiàn)大視場、高空間分辨率成像，且具有小型化和低功耗等突出優(yōu)勢；
(2)本發(fā)明在高精度計時電路之前引入了具備信號高速采樣、存儲、視頻遞推累加和相關(guān)識別功能的二進(jìn)制信號并行預(yù)處理電路，可有效剔除二進(jìn)制回波信號中的虛警脈沖，實現(xiàn)低信噪比條件下的高準(zhǔn)測實時脈沖測距；
(3)本發(fā)明的激光回波接收機(jī)與激光發(fā)射機(jī)相比多1路接收，用于監(jiān)測背景光強(qiáng)，結(jié)合恒虛警控制原理的偏置高壓自動控制電路實現(xiàn)了APD探測器陣列工作電壓的實時自動設(shè)置，使線陣激光雷達(dá)具備了更好的高低溫和背景光環(huán)境適應(yīng)能力。
(4)本發(fā)明的線陣實時成像脈沖激光雷達(dá)裝置采用門電路延遲高精度計時技術(shù)，結(jié)合電壓調(diào)節(jié)溫度補(bǔ)償方法，保證了計時電路具有很高的溫度穩(wěn)定性。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的線陣實時成像脈沖激光雷達(dá)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
結(jié)合圖1，本發(fā)明的一種線陣實時成像脈沖激光雷達(dá)裝置，包括第一光學(xué)發(fā)射天線 1、第一N元激光二極管陣列2、第二光學(xué)發(fā)射天線3、第二N元激光二極管陣列4、窄脈沖激光驅(qū)動電路5、時序控制電路6、光學(xué)接收天線7、2N+1元APD探測器陣列8、偏置高壓自動控制電路9、2N+1路并行前置放大電路10、2N+1路并行脈沖整形電路11、2N路二進(jìn)制信號并行預(yù)處理電路12和2N路并行高精度時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路13，第一光學(xué)發(fā)射天線1和第二光學(xué)發(fā)射天線3的光軸平行，且焦面上分別設(shè)置第一N元激光二極管陣列2和第二N元激光二極管陣列4，第一N元激光二極管陣列2和第二N元激光二極管陣列4的中心在焦面內(nèi)相向偏離第一光學(xué)發(fā)射天線1和第二光學(xué)發(fā)射天線3的焦點1/2像元間隔；
第一N元激光二極管陣列2和第二N元激光二極管陣列4均與窄脈沖激光驅(qū)動電路5相連；光學(xué)接收天線7的光軸與第一光學(xué)發(fā)射天線1和第二光學(xué)發(fā)射天線3的光軸平行，且在焦面上設(shè)置2N+1元APD探測器陣列8，其接收視場一一覆蓋第一N元激光二極管陣列2和第二N元激光二極管陣列4形成的發(fā)射光斑；2N+1元APD探測器陣列8的高壓供電端與偏置高壓自動控制電路9相連，2N+1元APD探測器陣列8的輸出與2N+1路并行前置放大電路10的輸入相連；2N+1路并行前置放大電路10的輸出與2N+1路并行脈沖整形電路11的輸入相連；2N+1路并行脈沖整形電路11的前2N路輸出與2N路二進(jìn)制信號并行預(yù)處理電路12的輸入相連，2N+1路并行脈沖整形電路的最后一路輸出與偏置高壓自動控制電路9相連；2N路二進(jìn)制信號并行預(yù)處理電路12的輸出與2N路并行高精度時間-數(shù)值轉(zhuǎn)換電路13的輸入相連；時序控制電路6分別與窄脈沖激光驅(qū)動電路5和2N路高精度時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路13相連。
第一光學(xué)發(fā)射天線1、第二光學(xué)發(fā)射天線3和光學(xué)接收天線7的焦距比等于第一N元激光二極管陣列2、第二N元激光二極管陣列4和2N+1元APD探測器陣列8中像元間隔的比，2N+1元APD探測器陣列8的占空比大于N元激光二極管陣列2、4的占空比。
2N+1元APD探測器陣列8的探測元比第一N元激光二極管陣列2和第二N元激光二極管陣列4的發(fā)光結(jié)多一個，用于監(jiān)測背景光強(qiáng)，反饋給偏置高壓自動控制電路9實時進(jìn)行探測器工作偏壓的恒虛警設(shè)定。
2N路二進(jìn)制信號并行預(yù)處理電路12由依次相連的信號高速二值采樣、存儲、視頻 遞推累加和相關(guān)識別電路組成。
采用2個N元激光二極管陣列作為激光發(fā)光源，利用2個光學(xué)發(fā)射天線的視場拼接，形成2N路陣列激光的同步發(fā)射；由光學(xué)接收天線、2N+1元APD探測器陣列、2N+1路并行前置放大電路和2N+1路脈沖整形電路構(gòu)成2N路激光回波接收機(jī)，輸出二進(jìn)制信號，其中前2N路用于接收激光回波信號，最后一路用于監(jiān)測背景光強(qiáng)；偏置高壓自動控制電路以恒虛警原理為基礎(chǔ)根據(jù)背景光強(qiáng)的二進(jìn)制信號對2N+1元APD探測器陣列的工作電壓進(jìn)行實時自動調(diào)整；二進(jìn)制激光回波信號由2N路二進(jìn)制信號并行預(yù)處理電路進(jìn)行信號高速采樣、存儲、視頻遞推累加和相關(guān)識別，剔除二進(jìn)制回波信號中的虛警脈沖；然后由2N路高精度時間-數(shù)值轉(zhuǎn)換電路精確給出2N路距離數(shù)據(jù)。
本實施方式中，第一光學(xué)發(fā)射天線1和第二光學(xué)發(fā)射天線3的焦距為52mm，通光口徑Φ25mm；光學(xué)接收天線7的焦距為60mm，通光口徑為Φ30mm；N取12，其中，第一12元激光二極管陣列2和第二12元激光二極管陣列4為OSRAM公司的12元激光二極管陣列，2N+1元APD探測器陣列8采用EXCEKTTAS公司的25元APD探測器陣列，偏置高壓自動控制電路9由C8051單片機(jī)和海聲公司的500V高壓模塊組成，2N+1路并行前置放大電路10為25路跨阻放大電路，芯片為AD8015放大器；2N+1路并行脈沖整形電路11為25個EUA962高速比較器,2N路二進(jìn)制信號并行預(yù)處理電路12為ALTERA公司的大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨏yclone EP1C3T10017N，2N路并行高精度時間-數(shù)值轉(zhuǎn)換電路13為3片ACAM公司的TDC-GPX時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片。