小阵列激光雷达信号处理技术研究

作     者：贾国辉 

作者单位：西安工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘缠牢

授予年度：2023年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 081001[工学-通信与信息系统] 081002[工学-信号与信息处理] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：阵列激光雷达 盖革APD探测器 信号处理 时间测量系统 

摘      要：激光雷达是科技发展的产物,阵列激光雷达因更高的分辨率和更快的扫描速度被广泛用于无人驾驶、3D扫描建模、气象环境检测和智能家居物联网等领域。随着激光技术和电子技术的进步,对阵列激光雷达提出了更高的要求,阵列激光雷达要实时处理信号和数据,要求系统的计算能力和通信功能强大,还要有可靠的稳定性和精度。阵列雷达逐步向着集成化,低功耗、高安全的目标发展。本文选择工作在盖革模式下的APD阵列作为激光雷达的光电探测器,对阵列激光雷达信号处理技术展开研究,设计了阵列激光雷达的硬件电路和软件系统,并对系统进行了测试,本文的研究内容主要分为以下几个方面:(1)对阵列激光雷达的理论展开研究。通过对阵列激光雷达国内外研究现状进行总结和相关基础理论进行研究,选择了脉冲式激光雷达测距法,分析了阵列激光雷达探测器的类型及相关特征,提出了不同目标下的激光雷达距离方程,对阵列激光雷达的系统构成做了阐述,计算了激光雷达的相关特性参数。(2)对阵列激光雷达信号前端读出电路研究。针对课题需求对电路的总体结构进行设计,在选定的测量范围,进行电路带宽计算,对前端电路的设计主要分为三个部分,首先对跨阻放大电路的稳定性和噪声进行了分析研究,后续设计了二级电压放大电路和时刻鉴别电路,根据APD阵列探测器的工作需求设计了偏置稳压电源,用TI-TINA软件进行了仿真,仿真结果表明在70-88MHz带宽范围内实现72d B的放大增益,对输入幅值为3.3×10A的微弱信号实现了鉴别,所设计偏置电源满足设计要求。用嘉立创EDA电路设计软件对所设计电路进行PCB设计并绘制了电路板。(3)对阵列激光雷达中时间测量系统展开研究。以TDC时间测量技术为核心,研究了TDC测量的基本实现形式、测量方法,对TDC的性能做了分析,选择了合适型号的TDC芯片。对时间测量系统的硬件组成和软件系统做了研究设计,软件系统设计主要分为四个部分分别为:上位机Lab VIEW程序设计、STM32串口通信程序设计、STM32与TDC通信程序设计和时间测量程序设计四个部分。(4)搭建实验平台对所设计的阵列激光雷达系统进行分析验证,对所设计硬件电路进行实际测量并与电路仿真结果对比,基本实现了电路要求。使用上位机Lab View设计用户登录系统,通过与STM32下位机串口通信实现了对激光雷达信号的采集传输和显示。