一種基于自混頻探測器的三維激光成像雷達讀出電路的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光電成像領域，涉及一種半導體傳感器讀出電路的系統結構。特別是涉及一種基于自混頻探測器的激光成像讀出電路。
【背景技術】
[0002]激光成像技術廣泛應用空中成像、遙感測繪和目標識別等民用和軍事領域。三維激光成像技術可以獲取目標距離和強度信息，形成目標或目標環境的三維模型，實現非接觸式的三維測量。除此以外，可應用于探測諸如植被等遮蔽物下的隱藏對象。美國陸軍實驗室提出基于自混頻探測器的無掃描FM/CW激光雷達系統。FM(Frequency Modulat1n，頻率調制技術)，CW(Continuous Wave，連續波)，FM/CW為調頻連續波。這種雷達系統首先對激光器和施加在探測器上的本振信號進行調頻連續波調制，被調制的激光器產生的激光發射信號照射在目標后形成回波信號；當回波信號返回至自混頻探測器時，與本振信號發生混頻而獲得兩者的頻率差和信號強度，從而得到目標的距離和強度信息。
[0003]結合圖1簡要說明基于FM/CW的激光成像原理，圖中實線為本振信號，虛線為激光回波信號。這兩種信號被調制后的頻率在一個周期T內是線性增加的。激光照射到目標后形成的回波信號達到探測器時，相對于本振信號的延遲時間為τ，也被稱為飛行時間，與目標距離成正比關系。在近似一個周期Τ內的每個時間點上，本振信號與回波信號的頻率都相差flf，因此這兩個信號在自混頻探測器上進行混頻可以產生一個頻率為flf的交流信號。這種形成的差頻(或中頻)信號的頻率flf與飛行時間成線性關系，因此flf與目標距離也具有線性關系，最終通過獲取信號的頻率信息即可得到目標的距離像。根據中頻信號的強度也可獲取到目標反射的灰度像，根據距離和灰度像便可得到目標的三維立體像。
[0004]這種成像機制將極快的飛行時間轉成頻率很低的中頻信號，極大降低了飛行時間的檢測難度，從而降低了系統成本。然而，利用自混頻探測器進行激光成像的技術仍在研究階段，尚未成熟。FM/CW的激光雷達要求探測器的高頻響應要好，而且常使用1.5χμπι人眼安全激光，基于以上兩點要求，探測器受工藝條件限制，其自身等效電阻比較小，暗電流大，往往使得讀出電路輸入級的輸入電阻小，降低了讀出電路的增益。與此同時，受調制波頻率線性度、探測器高頻響應度低、信號的諧波和雜波等因素的影響，使輸出信號的信噪比很低，造成這種激光成像雷達難以得到應用。

【發明內容】

[0005]針對現有技術，本發明提供一種基于自混頻探測器的三維激光成像雷達讀出電路，可以將由自混頻探測器轉換成的光電信號進行選通、放大、成型等處理，滿足后面處理設備對電信號的要求；降低探測器暗電流對讀出電路增益的影響；提高目標回波信號的信噪比。
[0006]為了解決上述技術問題，本發明提出的一種基于自混頻探測器的三維激光成像雷達讀出電路，該電路包括自混頻探測器單元陣列、單刀多擲開關、隔直電容、跨阻放大器、可變增益放大器、模數轉換器和時序控制電路;本振信號發生器產生的本振信號通過所述單刀多擲開關施加在自混頻探測器單元陣列的輸入端，同時所述本振信號發生器產生的本振信號對激光器進行調制，所述自混頻探測器單元陣列接收激光回波信號，從而使本振信號和激光回波信號在單一頻率下混頻;所述自混頻探測器單元陣列的輸出端經過所述隔直電容與所述跨阻放大器的輸入端相連后依次連接可變增益放大器、單位增益緩沖器和模數轉換器，所述時序控制電路與單刀多擲開關和模數轉換器相連。
[0007]進一步講，本發明基于自混頻探測器的三維激光成像雷達讀出電路，其中，所述隔直電容串聯在自混頻探測器單元陣列和跨阻放大器之間。
[0008]所述可變增益放大器的個數為1個以上。
[0009]所述本振信號發生器產生的信號是調頻連續波調制信號或者是單一頻率下的交流?目號Ο
[0010]所述隔直電容與所述跨阻放大器構成了帶通濾波器，對混頻后的光電流信號進行濾波，抑制諧波和雜波。
[0011]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0012]隔直電容和放大器在放大信號的同時，也可濾除一些諧波、雜波等噪聲，提高信號的信噪比。隔直電容還可消除暗電流的影響。本振信號與激光回波信號在單一頻率下混頻，可以提高更好地得到目標圖像的灰度信息。
【附圖說明】
[0013]圖1是FM/CW成像基本原理示意圖；
[0014]圖2是本發明一種基于自混頻探測器的激光成像讀出電路框圖示意圖；圖3是本發明實施例一電路連接關系圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖和具體實施例對本發明技術方案作進一步詳細描述，所描述的具體實施例僅對本發明進行解釋說明，并不用以限制本發明。
[0016]如圖2所示，本發明提出的一種基于自混頻探測器的三維激光成像雷達讀出電路，包括自混頻探測器單元陣列101、單刀多擲開關100、隔直電容102、跨阻放大器103、可變增益放大器104、模數轉換器106和時序控制電路108;所述本振信號發生器產生的信號是調頻連續波調制信號或者是單一頻率下的交流信號，本振信號發生器產生的本振信號通過所述單刀多擲開關100施加在自混頻探測器單元陣列101的輸入端，同時所述本振信號發生器產生的本振信號對激光器進行調制，所述自混頻探測器單元陣列101接收激光回波信號，從而使本振信號和激光回波信號在單一頻率下混頻;所述隔直電容102串聯在自混頻探測器單元陣列101和跨阻放大器103之間，所述自混頻探測器單元陣列101的輸出端經過所述隔直電容102與所述跨阻放大器103的輸入端相連后依次連接可變增益放大器104、單位增益緩沖器105和模數轉換器106，所述時序控制電路108與單刀多擲開關100和模數轉換器106相連。所述隔直電容102與所述跨阻放大器103構成了帶通濾波器，對混頻后的光電流信號進行濾波，抑制諧波和雜波。所述可變增益放大器104的個數為1個以上，所述單刀多擲開關100的開關數與可變增益放大器104的個數相同。
[0017]本發明提出的一種基于自混頻探測器的三維激光成像雷達讀出電路的工作原理為:基于FM/CW激光成像原理和探測器的自混頻特性，當被調頻連續波調制后的激光照射到工作的自混頻探測器單元陣列101上時，同為交流信號的本振信號和激光回波信號可在自混頻探測器單元陣列101上進行混頻，自混頻探測器單元陣列101則可輸出兩者信號的差頻(或中頻)交流光電流信號，同時輸出也包含有多次諧波、雜波等噪聲信號。
[0018]本發明電路中的隔直電容102與跨阻放大器103構成了一帶通濾波器，可對混頻后的光電流信號進行濾波，抑制諧波和雜波。該光電流信號經過隔直電容102進入跨阻放大器103后，被初步放大并轉化成為中頻電壓信號。由于自混頻探測器單元陣列101自身等效電阻較小，造成該探測器輸出信號含有較大的直流暗電流，這使得跨阻放大器103的輸入電阻減小，增益降低，而隔直電容102可以消除這一影響對跨阻放大器103增益的影響。中頻電壓信號經過可變增益放大器104繼續放大達到模數轉換器106輸入精度的要求。
[0019]本發明中設置的單位增益緩沖器105用以提高電壓信號的驅動能力，模數轉換器106將電壓模擬信號轉化