1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学光电学院，北京 100049
在应用于自动驾驶的相位调制连续波（PhMCW）激光雷达测距系统中，测量中频（IF）信号的脉冲宽度是关键问题，时间数字转换器（TDC）模块对IF信号的测量决定了PhMCW激光雷达的测距范围与精度。然而传统的TDC实现方法测量范围很小，且实现大测量范围时系统复杂度高，难以应用于自动驾驶。为了实现高精度大范围的TDC模块，采用基于现场可编程门阵列（FPGA）的严格计数链法，在保证比较高的测量精度的前提下，增加很少的资源使用量就可以扩大测量范围，设计简单。该TDC模块能够实现1.24 μs的时间测量范围，对应最大探测距离为186 m。利用信号源产生不同脉宽的被测信号进行实际测试，获得了最佳为26.42 ps的测量精度，对应测距精度为3.96 mm，优于现有商用激光雷达50 mm的测距精度。对200 ns脉宽的过采样数据包进行了频谱分析，证明了TDC测试结果受开关电源噪声影响。最后，搭建PhMCW激光雷达系统进行应用验证，实现了0.3~7 m飞行时间探测，从而证明了该TDC测量方法的可行性。该方法在激光雷达测距领域具有广阔的应用前景。
遥感 激光雷达 现场可编程门阵列 时间数字转换器 相位调制连续波 中频信号
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 发光学及应用国家重点实验室， 吉林长春30033
2 中国科学院大学 材料与光电研究中心，北京100049
3 吉林大学 电子科学与工程学院，吉林长春10012
4 鹏城实验室，广东深圳518055
在调频连续波激光雷达中，用于中频信号采集的模拟-数字采集模块是其关键组件，信噪比、信纳比、无杂散动态范围等参数是衡量该数据采集信号链交流特性的重要指标，直接决定着调频连续波激光雷达的探测范围和测距精度等性能。设计了用于调频连续波激光雷达的中频信号采集模块，获得49.13 dB的信噪比和48.90 dB的信纳比；然后研究了其噪声特性，获得系统的主要噪声来源为采样时钟的相位噪声，并且通过引入数字滤波器将信噪比和信纳比分别提升11.38 dB和11.32 dB，理论上激光雷达的探测范围提高3.7倍。可通过采用专业时钟芯片降低噪声，经计算可将信噪比提高8.65 dB；最后，搭建了光学相控阵调频连续波激光雷达系统，验证了数据采样模块的有效性，完成了40 m距离的探测，最大测量误差为7.7 cm，最大探测范围为133.67 m。
激光雷达 调频连续波 ADC信号链 噪声分析 lidar frequency-modulated continuous-wave ADC signal chain noise analysis
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 发光学及应用国家重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学 材料与光电研究中心, 北京 100049
3 鹏城实验室, 广东 深圳 518055
在飞行时间测距（TOF）的脉冲激光雷达（lidar）中, 激光器驱动十分重要, 其性能直接影响激光雷达系统的作用距离、信噪比和虚警率等指标, 是激光雷达的关键组成部分。本文在目前常见的激光器驱动电路模型基础上进行创新, 在储能电容的充电电路中引入适当电感, 形成电阻电感电容（RLC）二阶微分振荡电路, 可以大幅度提高脉冲激光器的驱动电压, 从而提高驱动电流, 驱动激光器产生大功率、窄脉宽的激光。经过理论计算、软件仿真和实验验证, 引入适当的电感可以将脉冲激光器的驱动电流提高85%以上, 输出功率提高114%以上。
激光雷达 大功率 窄脉宽 微分振荡电路 lidar high power narrow pulse width differential oscillator circuit
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Integrated Optoelectronics, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China
2 School of Electronic, Electrical and Communication Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 College of Materials Science and Opto-Electronic Technology, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
We use the selective area growth (SAG) technique to monolithically integrate InP-based 4-channel arrayed waveguide gratings (AWGs) with uni-traveling carrier photodiode arrays at the O-band. Two kinds of channel spacing demultiplexers of 20 nm and 800 GHz are adopted for potential 100 Gbps coarse wavelength division multiplexing and local area network wavelength division multiplexing systems, with an evanescent coupling plan to facilitate the SAG technique into device fabrication. The monolithic chips in both channel spacings exhibit uniform bandwidths over 25 GHz and a photodiode responsivity of 0.81 A/W for each channel, in agreement with the simulated quantum efficiency of 80%. Cross talk levels are below 20 dB for both channel spacing chips.
230.3120 Integrated optics devices 230.5170 Photodiodes Chinese Optics Letters
2017, 15(8): 082301
