本發(fā)明是關(guān)于一種基于多次脈沖峰值保持的短脈沖幅值測(cè)量方法及實(shí)現(xiàn)電路，涉及激光測(cè)距技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

基于飛行時(shí)間法的脈沖式激光測(cè)距系統(tǒng)或三維激光雷達(dá)系統(tǒng)的激光脈沖通常只有幾納秒，獲取回波脈沖的強(qiáng)度信息是進(jìn)行可控增益放大、獲取目標(biāo)灰度信息的必要前提。

現(xiàn)有技術(shù)公開的直接獲取納秒級(jí)短脈沖峰值強(qiáng)度的方法是采用帶寬為ghz級(jí)別的高速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ad)對(duì)回波脈沖進(jìn)行采樣，然而ghz級(jí)別高速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片價(jià)格昂貴且相應(yīng)的數(shù)字處理電路設(shè)計(jì)復(fù)雜?，F(xiàn)有技術(shù)公開的另一種間接方法是采用峰值保持電路將短脈沖信號(hào)的峰值電壓保持為一個(gè)直流電壓，在峰值電壓保持期間，用低速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器對(duì)該恒定電平進(jìn)行采樣，然而由于納秒級(jí)窄脈沖攜帶能量較少，一般無法對(duì)峰值保持電路中的儲(chǔ)能電容進(jìn)行有效充電。對(duì)納秒級(jí)短脈沖進(jìn)行放大，可以增加脈沖攜帶的能量，但是對(duì)放大鏈路的增益帶寬積要求較高，而且會(huì)引入額外的噪聲，并造成后級(jí)峰值保持電路不穩(wěn)定。因此，傳統(tǒng)的峰值保持電路對(duì)于納秒級(jí)短脈沖并不適用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠提高信噪比且能夠使得后級(jí)峰值保持電路穩(wěn)定的基于多次脈沖峰值保持的短脈沖幅值測(cè)量方法及實(shí)現(xiàn)電路。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種基于多次脈沖峰值保持的短脈沖幅值測(cè)量方法，其特征在于包括以下內(nèi)容：1)對(duì)被測(cè)納秒級(jí)窄脈沖進(jìn)行脈寬展寬；2)對(duì)展寬的脈沖信號(hào)進(jìn)行幅值放大；3)采用多個(gè)經(jīng)過展寬和放大的信號(hào)依次對(duì)儲(chǔ)能電容進(jìn)行多次充電，進(jìn)行峰值保持，實(shí)現(xiàn)能量疊加；4)對(duì)多次峰值保持后的波形進(jìn)行幅值采樣，得到納秒級(jí)窄脈沖的幅值信息。

進(jìn)一步地，所述步驟1)脈沖展寬采用基于傳統(tǒng)的rc低頻濾波電路或基于運(yùn)算放大器的低頻濾波電路進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

進(jìn)一步地，所述步驟2)幅值放大采用電壓反饋放大器進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，使放大后的脈沖峰值與被測(cè)納秒級(jí)窄脈沖峰值相同。

進(jìn)一步地，所述步驟3)采用多個(gè)經(jīng)過展寬和放大的信號(hào)依次對(duì)儲(chǔ)能電容進(jìn)行多次充電具體為：逐漸增加進(jìn)行脈沖峰值保持的脈沖個(gè)數(shù)，當(dāng)峰值保持輸出直流電壓與被測(cè)納秒級(jí)窄脈沖峰值相同為止。

進(jìn)一步地，所述步驟4)對(duì)多次峰值保持后的波形進(jìn)行幅值采樣采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器件。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還采取以下技術(shù)方案：一種基于多次脈沖峰值保持的實(shí)現(xiàn)電路，其特征在于，該實(shí)現(xiàn)電路包括短脈沖展寬電路和脈沖峰值保持電路；所述短脈沖展寬電路包括運(yùn)算放大器(u1a)和運(yùn)算放大器(u1b)，被測(cè)納秒級(jí)窄脈沖波形由電阻(r1)與電阻(r2)相連接的一端輸入，所述電阻(r1)的另一端與地相連；所述電阻(r2)的另一端與電容(c1)的一端相連，所述電容(c1)的另一端與地相連；所述電阻(r2)與所述電容(c1)相連的一端與電阻(r3)的一端相連，所述電阻(r3)的另一端與所述運(yùn)算放大器(u1a)的反向輸入端相連，所述運(yùn)算放大器(u1a)的正向輸入端與地相連，所述運(yùn)算放大器(u1a)的反向輸入端并聯(lián)連接電阻(r4)與電容(c2)的一端，所述電阻(r4)、電容(c2)的另一端以及運(yùn)算放大器(u1a)的輸出端并連接電阻(r5)的一端，所述電阻(r5)的另一端連接所述運(yùn)算放大器(u1b)的反向輸入端，所述運(yùn)算放大器(u1b)的正向輸入端與地相連，電阻(r6)跨接于所述運(yùn)算放大器(u1b)的反向輸入端與輸出端，所述運(yùn)算放大器(u1b)的輸出端為所述短脈沖展寬電路的輸出；其中，所述運(yùn)算放大器(u1a)和運(yùn)算放大器(u1b)的vcc和vee分別連接正電源和負(fù)電源；所述脈沖峰值保持電路包括數(shù)控模擬開關(guān)(u2)、運(yùn)算放大器(u3a)和運(yùn)算放大器(u3b)；所述運(yùn)算放大器(u1b)的輸出端與所述運(yùn)算放大器(u3a)的正向輸入端相連；所述運(yùn)算放大器(u3a)的輸出端與二極管(d1)的正級(jí)相連，所述二級(jí)管(d1)的負(fù)極與儲(chǔ)能電容(c3)的一端相連，所述儲(chǔ)能電容(c3)的另一端與地相連，所述運(yùn)算放大器的(u3a)的反向輸入端連接二極管(d2)正極，所述運(yùn)算放大器(u3a)的輸出端連接所述二極管(d2)負(fù)極，所述運(yùn)算放大器(u3b)的正向輸入端連接所述二級(jí)管(d1)的負(fù)極，所述運(yùn)算放大器(u3b)的反向輸入端與輸出端直接相連，電阻(r7)的一端連接所述運(yùn)算放大器(u3a)的反向輸入端，所述電阻(r7)另一端連接所述運(yùn)算放大器(u3b)的反向輸入端，所述運(yùn)算放大器(u3b)的輸出端為所述脈沖峰值保持電路的輸出，其中，所述運(yùn)算放大器(u3a)和運(yùn)算放大器(u3b)的vcc和vee分別連接正電源和負(fù)電源；所述數(shù)控模擬開關(guān)(u2)的控制信號(hào)輸入端與控制開關(guān)通斷的控制信號(hào)相連，所述數(shù)控模擬開關(guān)(u2)的gnd端與地相連，所述數(shù)控模擬開關(guān)(u)的vcc端與正電源相連，所述數(shù)控模擬開關(guān)(u2)的輸入端與所述二極管d1的負(fù)極相連，所述數(shù)控模擬開關(guān)(u2)的輸出端與地相連，所述數(shù)控模擬開關(guān)(u2)的輸入端與輸出端導(dǎo)通時(shí)，構(gòu)成所述儲(chǔ)能電容(c3)的放電回路。

進(jìn)一步地，所述運(yùn)算放大器(u1a)和運(yùn)算放大器(u1b)均采用增益帶寬積大于500mhz的電壓反饋運(yùn)算放大器。

進(jìn)一步地，運(yùn)算放大器(u3a)和運(yùn)算放大器(u3b)均采用高輸入阻抗運(yùn)算放大器。

進(jìn)一步地，所述數(shù)控模擬開關(guān)(u2)采用高開關(guān)隔離度的數(shù)控模擬開關(guān)。

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、本發(fā)明在窄脈沖峰值保持原理的基礎(chǔ)上采用多個(gè)經(jīng)過展寬和放大的信號(hào)對(duì)儲(chǔ)能電容進(jìn)行多次充電，進(jìn)行峰值保持，這樣等效于放大了被測(cè)納秒級(jí)窄脈沖的能量，而又避免了回波的噪聲，解決了納秒級(jí)脈沖展寬不足與信噪比太低的問題。2、本發(fā)明采用單片機(jī)自帶的8位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器對(duì)多次峰值保持后恒定電壓進(jìn)行采樣，成本低，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于納秒級(jí)窄脈沖的峰值保持。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的短脈沖幅值測(cè)量方法原理圖及波形變換示意圖，其中，虛線上部分為短脈沖峰值測(cè)量方法原理，虛線下部分為波形變換示意，用于詳細(xì)闡述短脈沖峰值測(cè)量方法的波形處理過程；

圖2是本發(fā)明對(duì)多個(gè)脈沖峰值保持和能量累加的原理示意圖；

圖3為本發(fā)明的基于多次脈沖峰值保持的實(shí)現(xiàn)電路原理圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖來對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描繪。然而應(yīng)當(dāng)理解，附圖的提供僅為了更好地理解本發(fā)明，它們不應(yīng)該理解成對(duì)本發(fā)明的限制。

如圖1所示，本發(fā)明提供的基于多次脈沖峰值保持的短脈沖幅值測(cè)量方法，包括以下內(nèi)容：

1、對(duì)被測(cè)納秒級(jí)窄脈沖進(jìn)行脈寬展寬。

對(duì)被測(cè)納秒級(jí)窄脈沖進(jìn)行展寬的目的是增加納秒級(jí)窄脈沖攜帶的能量，本發(fā)明對(duì)被測(cè)的納秒級(jí)窄脈沖進(jìn)行脈寬展寬，使脈沖寬度展寬至被測(cè)納秒級(jí)脈沖的100倍左右(以此為例，可以根據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)行展寬倍數(shù)的確定)，此時(shí)納秒級(jí)窄脈沖的幅值會(huì)相應(yīng)減小。脈沖展寬可以采用基于傳統(tǒng)的rc低頻濾波電路或基于運(yùn)算放大器的低頻濾波電路進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

2、對(duì)展寬的脈沖信號(hào)進(jìn)行幅值放大。

為了克服展寬引起的脈沖幅值降低問題，需要對(duì)展寬后脈沖信號(hào)進(jìn)行幅值放大。幅值放大可以采用增益帶寬積較高的電壓反饋放大器進(jìn)行，且放大倍數(shù)不宜過大，通常使放大后的脈沖峰值與被測(cè)納秒級(jí)窄脈沖峰值相同即可，可以根據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)行放大倍數(shù)的確定。

3、采用多個(gè)經(jīng)過展寬和放大的信號(hào)對(duì)儲(chǔ)能電容進(jìn)行多次充電，進(jìn)行峰值保持，實(shí)現(xiàn)能量疊加。

經(jīng)過上述展寬和放大步驟后的脈沖對(duì)峰值保持電路中的儲(chǔ)能電容進(jìn)行充電后，峰值保持電路輸出的恒定電壓仍然明顯低于被測(cè)納秒級(jí)窄脈沖峰值。此時(shí)，需要采用多個(gè)經(jīng)過展寬和放大的信號(hào)對(duì)峰值保持電路中的儲(chǔ)能電容進(jìn)行多次充電，進(jìn)行峰值保持，實(shí)現(xiàn)能量疊加的作用。在實(shí)際調(diào)試時(shí)，可以逐漸增加進(jìn)行脈沖峰值保持的脈沖個(gè)數(shù)，當(dāng)峰值保持電路輸出直流電壓與被測(cè)納秒級(jí)窄脈沖峰值相同為止。通常用于多個(gè)脈沖峰值保持的脈沖個(gè)數(shù)為3至10個(gè)，但是不限于此，可以根據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)行脈沖峰值保持個(gè)數(shù)的確定。

4、對(duì)多次峰值保持后的波形進(jìn)行幅值采樣，得到納秒級(jí)窄脈沖的幅值信息。

本發(fā)明采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器件對(duì)多次峰值保持后的波形進(jìn)行幅值采樣，得到納秒級(jí)窄脈沖的幅值信息，其中，數(shù)模轉(zhuǎn)換器件可以采用單片機(jī)自帶的8位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器對(duì)多次峰值保持后恒定電壓進(jìn)行采樣。

如圖2所示，本發(fā)明以三個(gè)納秒級(jí)窄脈沖進(jìn)行峰值保持為具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明，在第一個(gè)短脈沖峰值測(cè)量周期，三個(gè)納秒級(jí)窄脈沖分別經(jīng)過展寬和放大后對(duì)峰值保持電路中的儲(chǔ)能電容進(jìn)行充電，儲(chǔ)能電容兩端的電壓達(dá)到被測(cè)納秒級(jí)窄脈沖的峰值電壓后，采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器件對(duì)儲(chǔ)能電容電壓進(jìn)行幅值采樣，完成幅值采樣后對(duì)儲(chǔ)能電容進(jìn)行放電操作，等待進(jìn)入下個(gè)短脈沖峰值測(cè)量周期。

如圖3所示，本發(fā)明還提供基于多次脈沖峰值保持的實(shí)現(xiàn)電路，包括短脈沖展寬電路和脈沖峰值保持電路。

短脈沖展寬電路采用雙運(yùn)放組成，包括運(yùn)算放大器u1a和運(yùn)算放大器u1b，運(yùn)算放大器u1a用于對(duì)納秒級(jí)窄脈沖進(jìn)行展寬，運(yùn)算放大器u1b用于對(duì)脈沖進(jìn)行放大。由于本發(fā)明是對(duì)納秒級(jí)窄脈沖進(jìn)行操作，所以對(duì)運(yùn)算放大器的帶寬有較高要求，本發(fā)明的運(yùn)算放大器u1a和運(yùn)算放大器u1b采用增益帶寬積大于500mhz的電壓反饋運(yùn)算放大器。

被測(cè)納秒級(jí)窄脈沖波形由電阻r1與電阻r2相連接的一端輸入，電阻r1的另一端與地相連，作為輸入信號(hào)的阻抗匹配電阻；電阻r2的另一端與電容c1的一端相連，電容c1的另一端與地相連，電阻r2與電容c1構(gòu)成低通濾波網(wǎng)絡(luò)；電阻r2與電容c1相連的一端與電阻r3的一端相連，電阻r3的另一端與運(yùn)算放大器u1a的反向輸入端相連；運(yùn)算放大器u1a的正向輸入端與地相連；運(yùn)算放大器u1a的反向輸入端并聯(lián)連接電阻r4與電容c2的一端，電容c2與電容c1一起控制納秒級(jí)窄脈沖展寬的程度。電阻r4、電容c2的另一端以及運(yùn)算放大器u1a的輸出端并連接電阻r5的一端，電阻r5的另一端連接運(yùn)算放大器u1b的反向輸入端；運(yùn)算放大器u1b的正向輸入端與地相連；電阻r6作為控制放大增益的反饋電阻跨接于運(yùn)算放大器u1b的反向輸入端與輸出端；運(yùn)算放大器u1b的輸出端為納秒級(jí)窄脈沖展寬電路的輸出。其中，運(yùn)算放大器u1a和運(yùn)算放大器的vcc和vee分別連接正電源和負(fù)電源。

脈沖峰值保持電路包括數(shù)控模擬開關(guān)u2、運(yùn)算放大器u3a、運(yùn)算放大器u3b。運(yùn)算放大器u1b的輸出端與運(yùn)算放大器的u3a的正向輸入端相連；運(yùn)算放大器u3a的輸出端與二極管d1的正級(jí)相連，二級(jí)管d1的負(fù)極與儲(chǔ)能電容c3的一端相連，儲(chǔ)能電容c3的另一端與地相連；運(yùn)算放大器的u3a的反向輸入端連接的二極管d2正極，運(yùn)算放大器u3a的輸出端連接二極管d2負(fù)極；運(yùn)算放大器u3b的正向輸入端連接二級(jí)管d1的負(fù)極，運(yùn)算放大器u3b的反向輸入端與輸出端直接相連；電阻r7的一端連接運(yùn)算放大器的u3a反向輸入端，電阻r7另一端連接運(yùn)算放大器u3b的反向輸入端；運(yùn)算放大器u3b的輸出端為峰值保持電路的輸出，與后級(jí)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入端連接。其中，運(yùn)算放大器u3a和運(yùn)算放大器u3b的vcc和vee分別連接正電源和負(fù)電源。

數(shù)控模擬開關(guān)u2控制信號(hào)輸入端control與控制開關(guān)通斷的控制信號(hào)相連，數(shù)控模擬開關(guān)u2的gnd端與地相連，數(shù)控模擬開關(guān)u2的vcc端與正電源相連；數(shù)控模擬開關(guān)u2的輸入端in與二極管d1的負(fù)極相連；數(shù)控模擬開關(guān)u2的輸出端out與地相連；數(shù)控模擬開關(guān)u2的輸入端in與輸出端out導(dǎo)通時(shí)，構(gòu)成儲(chǔ)能電容c3的放電回路。

儲(chǔ)能電容c3是進(jìn)行峰值保持的儲(chǔ)能電容，數(shù)控模擬開關(guān)u2控制對(duì)其進(jìn)行放電操作。當(dāng)峰值保持電路要對(duì)脈沖進(jìn)行峰值保持時(shí)，當(dāng)給數(shù)控模擬開關(guān)u2的控制信號(hào)輸入端control輸入低電平，數(shù)控模擬開關(guān)u2的輸入端in與輸出端out斷開，使多個(gè)窄脈沖對(duì)儲(chǔ)能電容c3充電；當(dāng)結(jié)束采樣時(shí)，給數(shù)控模擬開關(guān)u2的控制型號(hào)輸入端control輸入高電平，數(shù)控模擬開關(guān)u2的輸入端in與輸出端out導(dǎo)通，對(duì)儲(chǔ)能電容c3進(jìn)行放電，等待下一次脈沖的到來。峰值保持電路中儲(chǔ)能電容c3的取值與充放電的操作時(shí)機(jī)是電路中最重要的參數(shù)，對(duì)于儲(chǔ)能電容c3的值可以通過仿真與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行確定。

在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，運(yùn)算放大器u3a和運(yùn)算放大器u3b均采用高輸入阻抗運(yùn)算放大器，脈沖峰值保持電路的運(yùn)放具有高的輸入電阻可以減少保持電壓的下降速度。

在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，數(shù)控模擬開關(guān)u采用高開關(guān)隔離度的數(shù)控模擬開關(guān)。

上述各實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式和制作工藝等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。