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CN111684300B - 一种信号放大方法及装置、测距装置 - Google Patents

一种信号放大方法及装置、测距装置 Download PDF

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CN111684300B CN201980005485.4A CN201980005485A CN111684300B CN 111684300 B CN111684300 B CN 111684300B CN 201980005485 A CN201980005485 A CN 201980005485A CN 111684300 B CN111684300 B CN 111684300B
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Abstract

一种信号放大方法(100)及装置，方法(100)包括：发射光脉冲信号(S110)；通过光转换模块接收经过物体反射的光脉冲信号，并将光脉冲信号转化为电脉冲信号(S120)；通过放大模块对电脉冲信号进行放大(S130)；其中，在光脉冲的发射时刻与反射的光脉冲信号的接收时刻之间，光转换模块的放大增益在至少部分时刻不同，和/或，放大模块的放大增益在至少部分时刻不同。通过对反射的光脉冲信号进行不同倍数的放大，以解决反射的光脉冲信号被放大后信息丢失或仍然无法被检测到的问题，有利于提高后续信号处理的有效性和可靠性。

Description

一种信号放大方法及装置、测距装置
技术领域
本发明涉及电路技术领域，尤其涉及信号放大方法及装置。
背景技术
激光雷达和激光测距是对外界的感知系统，可以获知发射方向上的空间距离信息。其原理为主动对外发射激光脉冲信号，探测到反射回来的脉冲信号，根据发射与接收之间的时间差，判断被测物体的距离。在通过测量光脉冲序列的往返时间来测定目标相对距离的测距过程中，由于被测目标的目标距离和反射特性等在大动态范围内变动，经目标反射的光脉冲序列的功率会发生剧烈变化，例如，在0.1m的近处和50m的远处，反射信号强度的差异可达104-105级别，如果对所有的反射光脉冲信号均以同样的放大倍数进行放大，那么会导致有的信号的部分信息丢失而有的信号无法被检测到。
发明内容
本发明实施例提供一种信号放大方法，以解决反射光脉冲信号被放大后信息丢失或仍然无法被检测到的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种信号放大方法，包括：
发射光脉冲信号；
通过光转换模块接收经过物体反射的光脉冲信号，并将所述光脉冲信号转化为电脉冲信号；
通过放大模块对所述电脉冲信号进行放大；
其中，在所述光脉冲的发射时刻与所述反射的光脉冲信号的接收时刻之间，所述光转换模块的放大增益在至少部分时刻不同，和/或，所述放大模块的放大增益在至少部分时刻不同。
另一方面，本发明实施例提供了一种信号放大装置，包括：
发射模块，用于发射光脉冲信号；
光转换模块，用于接收经过物体反射的光脉冲信号，并将所述光脉冲信号转化为电脉冲信号；
放大模块，用于对所述电脉冲信号进行放大；
其中，在所述光脉冲的发射时刻与所述反射的光脉冲信号的接收时刻之间，所述光转换模块的放大增益在至少部分时刻不同，和/或，所述放大模块的放大增益在至少部分时刻不同。
另一方面，本发明实施例的提供了一种测距装置，所述测距装置用于根据所述发射的光脉冲信号和所述接收的经物体反射的光脉冲信号，确定所述物体与所述测距装置的距离；所述测距装置包括上述的信号放大装置。
本发明实施例的信号放大方法，通过根据反射的光脉冲信号的飞行时间的不同，对所述反射的光脉冲信号进行不同倍数的放大，以解决反射的光脉冲信号被放大后信息丢失或仍然无法被检测到的问题，保证以合适的放大倍数对反射的光脉冲信号进行放大，有利于提高后续信号处理的有效性和可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的一种信号放大方法的示意性流程图；
图2是本发明实施例的光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益随时间变化的示例；
图3是本发明实施例的光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益随时间变化的又一示例；
图4是本发明实施例的RC积分电路的示例；
图5是本发明实施例的控制可变增益放大器的反馈电阻的示例；
图6是本发明实施例的发射光脉冲序列的示意图；
图7是本发明实施例的信号放大方法的示意性原理框图；
图8是本发明实施例的测距装置的示意性结构框图；
图9是本发明的测距装置采用同轴光路的一种实施例的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了实现宽动态范围的检测，对于经过近处的目标物体所反射的光脉冲信号，可以以较小的放大倍数去放大，以免被限幅而失去了部分信息；对于经过远处的目标物体所反射的光脉冲信号，由于光脉冲信号较小，可以以较大的放大倍数去放大，将微弱的光电信号放大到足够大，以防止不能被检测到，能够顺利的进行数字化。
基于上述考虑，本发明实施例提供了一种信号放大方法，参见图1，图1示出了本发明实施例的一种信号放大方法。所述方法100包括：
在步骤S110中，发射光脉冲信号；
在步骤S120中，通过光转换模块接收经过物体反射的光脉冲信号，并将所述光脉冲信号转化为电脉冲信号；
在步骤S130中，通过放大模块对所述电脉冲信号进行放大；
其中，在所述光脉冲的发射时刻与所述反射的光脉冲信号的接收时刻之间，所述光转换模块的放大增益在至少部分时刻不同，和/或，所述放大模块的放大增益在至少部分时刻不同。
由于目标物体位于近处时，当光脉冲信号发射后很快就到达目标物体并被反射回来，从发射到接收所述光脉冲信号的时间比较短，光脉冲信号在这段飞行时间中的损失较少，光转换模块接收到经过目标物体反射的光脉冲信号强度较大，此时只需要以较小的增益放大这一较大的光脉冲信号；而目标物体位于远处时，从发射到接收所述光脉冲信号的时间比较长，光脉冲信号在这段飞行时间中的损失较大，光转换模块接收到经过目标物体反射的光脉冲信号强度较小，此时需要以较大的增益放大这一较大的光脉冲信号；由此可以看出，经过物体反射的光脉冲信号的强度随着飞行时间的增加而减小，相应的需要不同的放大增益对反射的光脉冲信号进行放大，所述放大增益随着光脉冲信号飞行时间的变化而变化。这样，就可以保证反射的光脉冲信号能被放大到合适的倍数，有利于提高后续信号的数字化处理的准确性。
需要说明的是，光转换模块可以将光脉冲信号转换为电脉冲信号，其本身还可以存在放大功能即还可以对转换后的电脉冲信号进行放大，而经过物体反射的光脉冲信号是否经过光转换模块进行放大在此不做限制。
可选地，所述方法100还包括：控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益，使得所述光转换模块和/或所述放大模块在第一时刻的放大增益大于在第二时刻的放大增益，其中，第一时刻和第二时刻均位于所述光脉冲的发射时刻与所述反射的光脉冲信号的接收时刻之间，且第一时刻晚于第二时刻。
其中，反射的光脉冲信号的强度随着飞行时间变化，因此，可以根据通过所述光脉冲信号的飞行时间来控制反射的光脉冲信号的放大增益(包括所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益)，对不同时刻接收到的反射的光脉冲信号以合适的放大增益进行放大。
可选地，所述控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益，包括：
控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益在所述光脉冲的发射时刻与所述反射的光脉冲信号的接收时刻之间逐渐增大。
因为一般反射的光脉冲信号的强度与飞行时间成反比，那么可以从发射光脉冲信号开始，随着光脉冲信号的飞行，光脉冲信号的强度逐渐减小，可以控制其放大增益逐渐增大。例如，目标物体A与发射光脉冲信号位置的距离LA远于目标物体B与与发射光脉冲信号位置的距离LB，那么经过目标物体A反射的光脉冲信号的放大增益小于目标物体B反射的光脉冲信号的放大增益。
那么，所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益与飞行时间和目标物体的距离可以是线性的，也可以是非线性的。
可选地，所述控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益，包括：
控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益在所述光脉冲的发射时刻与所述反射的光脉冲信号的接收时刻之间线性增长。
参见附图2，图2示出了本发明实施例的光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益随时间变化的示例。如图2所示，放大增益在所述光脉冲的发射时刻有一个初始值，随着时间/距离线性增长。
可选地，所述控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益，包括：
控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益在所述光脉冲的发射时刻与所述反射的光脉冲信号的接收时刻之间增长，且增长的速度逐渐加快。
参见附图3，图3示出了本发明实施例的光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益随时间变化的又一示例。一般情况下，经过目标物体反射回来的光脉冲信号强度是反比于L2，L是目标物体与发射光脉冲信号位置的距离。如图3所示，放大增益在所述光脉冲的发射时刻有一个初始值，随着时间/距离呈指数增长，增长的速度逐渐加快。
可选地，所述放大模块包括可变增益放大器，所述控制所述放大模块的放大增益，包括：
通过RC积分电路控制所述可变增益放大器的电压，使得所述可变增益放大器的电压逐渐增大。
参见附图4，图4示出了本发明实施例的RC积分电路的示例。如图4所示，RC积分电路包括：电阻R和电容C，所述电阻R的一端接收所述触发信号Start Signal，所述电阻R的另一端连接电容C的一端并输出增益控制信号Gain Control Signal，所述电容C的另一端接地。其工作原理包括：所述触发信号Start Signal与发射光脉冲信号同时，可以是一个阶跃信号，当RC积分电路接收到所述触发信号Start Signal，RC积分电路开始积分，并输出增益控制信号Gain Control Signal，控制所述可变增益放大器的电压逐渐增大；当接收到经物体反射的光脉冲信号时，以此时的放大增益对所述反射的光脉冲信号进行放大。
可选地，所述控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益，包括：
从所述光脉冲信号的发射时刻开始，控制所述光转换模块和/或所述放大模块的放大增益从初始值开始增加。
其中，所述放大增益的初始值可以为0也可以是某一个数值，在此不做限制。
可选地，所述控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益，包括：
控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益在所述光脉冲的发射时刻与所述反射的光脉冲信号的接收时刻之间阶梯性增长。
在一些实施方式中，在发射光脉冲信号之后包括若干时间段，在每个相同的时间段内，接收到的反射的光脉冲信号的强度相差不大，不需要采用时刻变化的放大增益，可以采用阶梯式增长以实现相同时间段内的放大增益相同，不同的时间段之间的放大增益不同，这样有利于放大增益控制的实现，以及提高运算效率，实现快速准确地放大所述光脉冲信号。
需要说明的是，所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益的变化并不局限于上述列举的情况，还可以是其它在所述光脉冲信号的发射时刻与接收时刻之间至少部分时刻不同的情况，如增长的速度逐渐变慢等，在此不做限制。
可选地，所述放大模块包括可变增益放大器或可编程增益放大器。
可选地，所述放大模块包括可变增益放大器，所述方法还包括：
控制所述可变增益放大器的反馈电阻，以改变所述可变增益放大器的放大增益。
其中，当放大模块包括可变增益放大器(VGA，variable gain amplifiers)时，通过控制所述可变增益放大器的输出电压来实现对所述可变增益放大器的放大增益的控制，可以采用上述本发明实施例提供的积分RC电路，也可以通过控制DAC(数字模拟转换器，Digital to analog converter)，还可以通过控制可变增益放大器的反馈电阻来控制可变增益放大器的放大增益。
在一个实施例中，参见图5，图5示出了本发明实施例的控制可变增益放大器的反馈电阻的示例。如图5所示，所述可变增益放大器包括：电阻R1、运算放大器U1和数字电位器，所述电阻R1的一端接收输入信号Signal_in，所述电阻R1的另一端连接所述运算放大器U1的反向输入端-IN，所述运算放大器U1的正向输入端+IN连接参考电压AMP_REF，所述运算放大器U1的输出端OUT输出放大后的信号Out_signal，所述数字电位器连接于所述运算放大器U1的反向输入端-IN和运算放大器U1的输出端OUT之间。其中，数字电位器的电阻可以调节，通过控制所述数字电位器的电阻即可控制所述可变增益放大器的放大增益；而数字电位器还可以是其它可调电阻器件，如工作在线性区的MOS管等。
可选地，所述方法还包括：
发射光脉冲序列，且相邻两次光脉冲的发射时间间隔大于最长探测时长的至少10倍，其中，所述最长探测时长为能够探测到的最小的、经过物体反射的光脉冲信号的探测时间，与对应的光脉冲发射时间的间隔。
其中，所述光脉冲序列可以是由一个发射光源发射，该发射光源发射的激光脉冲序列被扫描模块(例如旋转的棱镜)进行出射路径的改变，形成在不同时刻上的多个出射路径的激光脉冲序列。所述光脉冲序列还可以是由多个发射光源分别沿着不同的出射路径发射，该不同的出射路径可以是出射的位置和/或出射的方向不同。该多个发射光源分别发射的多路激光脉冲序列可以是平行的，或者也可以是不平行的。该多个发射光源分别发射的激光脉冲序列可以被扫描模块(例如旋转的棱镜)改变传播方向后出射。
所述光脉冲序列在一个工作周期内，从发射光脉冲到计算出目标物体与发射光脉冲信号的位置的距离需要时长为t。该t的具体大小取决于该光脉冲所探测到的目标物体距离发射光脉冲信号的位置的距离，距离越远，t越大。当目标物体距离发射光脉冲信号的位置越远时，经物体反射回的光信号越弱。当反射回的光信号弱到一定程度时，将无法探测到该光信号。因此，所能探测到的最弱的光信号对应的物体，与发射光脉冲信号的位置之间的距离称为最远探测距离。为描述方便，称该最远探测距离对应的t值为t0。本发明实施例中，工作周期大于t0。一些实现方式中，工作周期大于t0的至少5倍。一些实现方式中，工作周期大于t0的至少10倍。一些实现方式中，工作周期大于t0的15倍。一些实现方式中，t0是纳秒级别的，工作周期是微秒级别的。
在一个实施例中，参见图6，图6示出了本发明实施例的发射光脉冲序列的示意图。如图6所示，发射电路在时刻a1发射光脉冲序列，该光脉冲序列依次经过接收电路、采样电路和运算电路处理后，时刻b1得到运算结果，时刻a1与时刻b1之间的时长为t1；然后，发射电路在时刻a2发射光脉冲序列，该光脉冲序列依次经过接收电路、采样电路和运算电路处理后，时刻b2得到运算结果，时刻a2与时刻b2之间的时长为t2；然后，发射电路在时刻a3发射光脉冲序列，该光脉冲序列依次经过接收电路、采样电路和运算电路处理后，时刻b3得到运算结果，时刻a3与时刻b3之间的时长为t3。可以理解的是，t1、t2和t3的时长分别小于或等于上述t0。在图6所示例子中，a2晚于b1、a3晚于b2；a1与a2之间的时长与a2与a3之间的时长为同一时长P，该时长P即为上述提到的工作周期。
可选地，所述方法还包括：
分别在所述光脉冲序列中的至少部分光脉冲的发射时刻开始控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益从初始值开始增长；
分别在距离所述至少部分光脉冲的发射时刻达到最长探测时长之后，控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益停止增长。
其中，对于光脉冲序列中的光脉冲之间发射间隔远大于光脉冲从发射到最远探测距离返回的时间，那么可以在光脉冲发射时刻控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益从初始值开始增长；由于光脉冲能探测的最远距离已知，即光脉冲从发射到最远探测距离返回的时间也已知，那么经过光脉冲从发射光脉冲到计算出最远探测距离需要时长t0后，光脉冲必然已经返回并经过接收电路、采样电路和运算电路处理后，得到运算结果，此时可以停止所述放大增益的增长。等到下一个光脉冲发射时，再次控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益从初始值开始增长，以此类推，即可对所述光脉冲序列的所有光脉冲以合适的放大增益进行放大。
此外，也可以分别在所述至少部分光脉冲的接收时刻，控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益停止增长。
在一个实施例中，参见图7，图7示出了本发明实施例的信号放大方法的原理框图。结合图6和图7，以具体示例对本发明实施例的信号放大方法进行进一步说明。
如图7所示，发射电路710用于发射光脉冲信号；光转换模块包括光电传感器720，用于接收经过物体反射的光脉冲信号，并将所述光脉冲信号转化为电脉冲信号；放大电路730对所述电脉冲信号进行放大；其中，在所述光脉冲的发射时刻与所述反射的光脉冲信号的接收时刻之间，所述光电传感器720的放大增益在至少部分时刻不同，和/或，所述放大电路730的放大增益在至少部分时刻不同；
中控电路740用于发送发射控制信号至所述发射电路710，控制所述发射电路710发射光脉冲信号；并控制所述光电传感器720和/或放大电路730的放大增益；
数字化电路750用于对所述放大电路730的输出信号进行数字化，为后续计算目标物体的距离提供数据基础。
参见图6和图7，假设中控电路740发送发射控制信号至所述发射电路710，所述发射电路710在时刻a1发射第一光脉冲信号，同时，中控电路740控制所述光电传感器720和/或放大电路730的放大增益从初始值开始增长；所述第一光脉冲信号经物体反射后返回，所述光电传感器720接收所述经物体反射后的第一光脉冲信号，并转化为第一电脉冲信号，所述光电传感器720和/或放大电路730以从初始值增长到此时的放大增益对所述第一电脉冲信号进行放大；数字化电路750对放大电路730的输出信号进行数字化并采样，进而将数字化和采样结果发送至运算电路进行计算，运算电路经过运算后在时刻b1得到运算结果，时刻a1与时刻b1之间的时长为t1；当从时刻a1开始，经过从第一电脉冲信号发射到计算出第一电脉冲信号最远探测距离需要时长t0后，中控电路740停止控制所述光电传感器720和/或放大电路730的放大增益的增长；其中，t0大于或等于t1。
设相邻两次光脉冲的发射时间间隔(即工作周期P)大于最长探测时长t0的至少10倍，那么，第二次发射光脉冲时，第一光脉冲信号已经到达目标物体并返回，经过计算得到计算结果，第二次发射的光脉冲与第一次光脉冲之间不会造成相互影响。从时刻a1经过工作周期P后，中控电路740发送发射控制信号至所述发射电路710，所述发射电路710在时刻a2发射第二光脉冲信号，同时，中控电路740控制所述光电传感器720和/或放大电路730的放大增益再次从初始值开始增长；同样地，所述第二光脉冲信号经物体反射后返回，经过光电传感器720转化为第二电脉冲信号后，所述光电传感器720和/或放大电路730以从初始值增长到此时的放大增益对所述第二电脉冲信号进行放大；进而经过数字化、采样以及运算后在时刻b2得到运算结果，时刻a2与时刻b2之间的时长为t2；当从时刻a2开始，经过从第一电脉冲信号发射到计算出第一电脉冲信号最远探测距离需要时长t0后，中控电路740停止控制所述光电传感器720和/或放大电路730的放大增益的增长。
以此类推，每个光脉冲信号经物体反射后均可以通过合适的放大增益进行放大，有利于提高后续计算过程的准确性。
可选地，所述方法应用于测距装置，所述方法还包括：
根据所述发射的光脉冲信号和所述接收的经物体反射的光脉冲信号，确定所述物体与所述测距装置的距离。
可选地，所述方法还包括：
发射光脉冲序列；
利用扫描模块改变所述光脉冲序列的出射方向，使得所述光脉冲序列中的各光脉冲依次出射至不同方向。
可选地，所述扫描模块包括至少2个旋转的、具有非平行的出射面和入射面的光折射元件。
本发明各个实施例提供的信号放大方法可以应用于测距装置，该测距装置可以是激光雷达、激光测距设备等电子设备。在一种实施例中，测距装置用于感测外部环境信息，例如，环境目标的距离信息、方位信息、反射强度信息、速度信息等。一种实现方式中，测距装置可以通过测量测距装置和探测物之间光传播的时间，即光飞行时间(Time-of-Flight，TOF)，来探测探测物到测距装置的距离。或者，测距装置也可以通过其他技术来探测探测物到测距装置的距离，例如基于相位移动(phase shift)测量的测距方法，或者基于频率移动(frequency shift)测量的测距方法，在此不做限制。
为了便于理解，以下将结合图8所示的测距装置800对测距的工作流程进行举例描述。
如图8所示，测距装置800可以包括发射电路810、接收电路820、采样电路830和运算电路840。
发射电路810可以发射光脉冲序列(例如激光脉冲序列)。接收电路820可以接收经过被探测物反射的光脉冲序列，并对该光脉冲序列进行光电转换，以得到电信号，再对电信号进行处理之后可以输出给采样电路830。采样电路830可以对电信号进行采样，以获取采样结果。运算电路840可以基于采样电路830的采样结果，以确定测距装置800与被探测物之间的距离。
可选地，该测距装置800还可以包括控制电路850，该控制电路850可以实现对其他电路的控制，例如，可以控制各个电路的工作时间和/或对各个电路进行参数设置等。
应理解，虽然图8示出的测距装置中包括一个发射电路、一个接收电路、一个采样电路和一个运算电路，用于出射一路光束进行探测，但是本申请实施例并不限于此，发射电路、接收电路、采样电路、运算电路中的任一种电路的数量也可以是至少两个，用于沿相同方向或分别沿不同方向出射至少两路光束；其中，该至少两束光路可以是同时出射，也可以是分别在不同时刻出射。一个示例中，该至少两个发射电路中的发光芯片封装在同一个模块中。例如，每个发射电路包括一个激光发射芯片，该至少两个发射电路中的激光发射芯片中的die封装到一起，容置在同一个封装空间中。
一些实现方式中，除了图8所示的电路，测距装置800还可以包括扫描模块860，用于将发射电路出射的至少一路激光脉冲序列改变传播方向出射。
其中，可以将包括发射电路810、接收电路820、采样电路830和运算电路840的模块，或者，包括发射电路810、接收电路820、采样电路8830、运算电路840和控制电路850的模块称为测距模块，该测距模块可以独立于其他模块，例如，扫描模块860。
测距装置中可以采用同轴光路，也即测距装置出射的光束和经反射回来的光束在测距装置内共用至少部分光路。例如，发射电路出射的至少一路激光脉冲序列经扫描模块改变传播方向出射后，经探测物反射回来的激光脉冲序列经过扫描模块后入射至接收电路。或者，测距装置也可以采用异轴光路，也即测距装置出射的光束和经反射回来的光束在测距装置内分别沿不同的光路传输。图9示出了本发明的测距装置采用同轴光路的一种实施例的示意图。
测距装置900包括测距模块910，测距模块910包括发射器903(可以包括上述的发射电路)、准直元件904、探测器905(可以包括上述的接收电路、采样电路和运算电路)和光路改变元件906。测距模块910用于发射光束，且接收回光，将回光转换为电信号。其中，发射器903可以用于发射光脉冲序列。在一个实施例中，发射器903可以发射激光脉冲序列。可选的，发射器903发射出的激光束为波长在可见光范围之外的窄带宽光束。准直元件904设置于发射器的出射光路上，用于准直从发射器903发出的光束，将发射器903发出的光束准直为平行光出射至扫描模块。准直元件还用于会聚经探测物反射的回光的至少一部分。该准直元件904可以是准直透镜或者是其他能够准直光束的元件。
在图9所示实施例中，通过光路改变元件906来将测距装置内的发射光路和接收光路在准直元件904之前合并，使得发射光路和接收光路可以共用同一个准直元件，使得光路更加紧凑。在其他的一些实现方式中，也可以是发射器903和探测器905分别使用各自的准直元件，将光路改变元件906设置在准直元件之后的光路上。
在图9所示实施例中，由于发射器903出射的光束的光束孔径较小，测距装置所接收到的回光的光束孔径较大，所以光路改变元件可以采用小面积的反射镜来将发射光路和接收光路合并。在其他的一些实现方式中，光路改变元件也可以采用带通孔的反射镜，其中该通孔用于透射发射器903的出射光，反射镜用于将回光反射至探测器905。这样可以减小采用小反射镜的情况中小反射镜的支架会对回光的遮挡。
在图9所示实施例中，光路改变元件偏离了准直元件904的光轴。在其他的一些实现方式中，光路改变元件也可以位于准直元件904的光轴上。
测距装置900还包括扫描模块902。扫描模块902放置于测距模块910的出射光路上，扫描模块902用于改变经准直元件904出射的准直光束919的传输方向并投射至外界环境，并将回光投射至准直元件904。回光经准直元件904汇聚到探测器905上。
在一个实施例中，扫描模块902可以包括至少一个光学元件，用于改变光束的传播路径，其中，该光学元件可以通过对光束进行反射、折射、衍射等等方式来改变光束传播路径。例如，扫描模块902包括透镜、反射镜、棱镜、振镜、光栅、液晶、光学相控阵(OpticalPhased Array)或上述光学元件的任意组合。一个示例中，至少部分光学元件是运动的，例如通过驱动模块来驱动该至少部分光学元件进行运动，该运动的光学元件可以在不同时刻将光束反射、折射或衍射至不同的方向。在一些实施例中，扫描模块902的多个光学元件可以绕共同的轴909旋转或振动，每个旋转或振动的光学元件用于不断改变入射光束的传播方向。在一个实施例中，扫描模块902的多个光学元件可以以不同的转速旋转，或以不同的速度振动。在另一个实施例中，扫描模块902的至少部分光学元件可以以基本相同的转速旋转。在一些实施例中，扫描模块的多个光学元件也可以是绕不同的轴旋转。在一些实施例中，扫描模块的多个光学元件也可以是以相同的方向旋转，或以不同的方向旋转；或者沿相同的方向振动，或者沿不同的方向振动，在此不作限制。
在一个实施例中，扫描模块902包括第一光学元件914和与第一光学元件914连接的驱动器916，驱动器916用于驱动第一光学元件914绕转动轴909转动，使第一光学元件914改变准直光束919的方向。第一光学元件914将准直光束919投射至不同的方向。在一个实施例中，准直光束919经第一光学元件改变后的方向与转动轴909的夹角随着第一光学元件914的转动而变化。在一个实施例中，第一光学元件914包括相对的非平行的一对表面，准直光束919穿过该对表面。在一个实施例中，第一光学元件914包括厚度沿至少一个径向变化的棱镜。在一个实施例中，第一光学元件914包括楔角棱镜，对准直光束919进行折射。
在一个实施例中，扫描模块902还包括第二光学元件915，第二光学元件915绕转动轴909转动，第二光学元件915的转动速度与第一光学元件914的转动速度不同。第二光学元件915用于改变第一光学元件914投射的光束的方向。在一个实施例中，第二光学元件915与另一驱动器917连接，驱动器917驱动第二光学元件915转动。第一光学元件914和第二光学元件915可以由相同或不同的驱动器驱动，使第一光学元件914和第二光学元件915的转速和/或转向不同，从而将准直光束919投射至外界空间不同的方向，可以扫描较大的空间范围。在一个实施例中，控制器918控制驱动器916和917，分别驱动第一光学元件914和第二光学元件915。第一光学元件914和第二光学元件915的转速可以根据实际应用中预期扫描的区域和样式确定。驱动器916和917可以包括电机或其他驱动器。
在一个实施例中，第二光学元件915包括相对的非平行的一对表面，光束穿过该对表面。在一个实施例中，第二光学元件915包括厚度沿至少一个径向变化的棱镜。在一个实施例中，第二光学元件915包括楔角棱镜。
一个实施例中，扫描模块902还包括第三光学元件(图未示)和用于驱动第三光学元件运动的驱动器。可选地，该第三光学元件包括相对的非平行的一对表面，光束穿过该对表面。在一个实施例中，第三光学元件包括厚度沿至少一个径向变化的棱镜。在一个实施例中，第三光学元件包括楔角棱镜。第一、第二和第三光学元件中的至少两个光学元件以不同的转速和/或转向转动。
扫描模块902中的各光学元件旋转可以将光投射至不同的方向，例如光911和913的方向，如此对测距装置900周围的空间进行扫描。当扫描模块902投射出的光911打到被探测物901时，一部分光被探测物901沿与投射的光911相反的方向反射至测距装置900。被探测物901反射的回光912经过扫描模块902后入射至准直元件904。
探测器905与发射器903放置于准直元件904的同一侧，探测器905用于将穿过准直元件904的至少部分回光转换为电信号。
一个实施例中，各光学元件上镀有增透膜。可选的，增透膜的厚度与发射器103发射出的光束的波长相等或接近，能够增加透射光束的强度。
一个实施例中，测距装置中位于光束传播路径上的一个元件表面上镀有滤光层，或者在光束传播路径上设置有滤光器，用于至少透射发射器所出射的光束所在波段，反射其他波段，以减少环境光给接收器带来的噪音。
在一些实施例中，发射器903可以包括激光二极管，通过激光二极管发射纳秒级别的激光脉冲。进一步地，可以确定激光脉冲接收时间，例如，通过探测电信号脉冲的上升沿时间和/或下降沿时间确定激光脉冲接收时间。如此，测距装置900可以利用脉冲接收时间信息和脉冲发出时间信息计算TOF，从而确定被探测物901到测距装置900的距离。
测距装置900探测到的距离和方位可以用于遥感、避障、测绘、建模、导航等。在一种实施例中，本发明实施例的测距装置可应用于移动平台，测距装置可安装在移动平台的平台本体。具有测距装置的移动平台可对外部环境进行测量，例如，测量移动平台与障碍物的距离用于避障等用途，和对外部环境进行二维或三维的测绘。在某些实施例中，移动平台包括无人飞行器、汽车、遥控车、机器人、相机中的至少一种。当测距装置应用于无人飞行器时，平台本体为无人飞行器的机身。当测距装置应用于汽车时，平台本体为汽车的车身。该汽车可以是自动驾驶汽车或者半自动驾驶汽车，在此不做限制。当测距装置应用于遥控车时，平台本体为遥控车的车身。当测距装置应用于机器人时，平台本体为机器人。当测距装置应用于相机时，平台本体为相机本身。
根据本发明实施例的提供的一种信号放大装置，包括：
发射模块，用于发射光脉冲信号；
光转换模块，用于接收经过物体反射的光脉冲信号，并将所述光脉冲信号转化为电脉冲信号；
放大模块，用于对所述电脉冲信号进行放大；
其中，在所述光脉冲的发射时刻与所述反射的光脉冲信号的接收时刻之间，所述光转换模块的放大增益在至少部分时刻不同，和/或，所述放大模块的放大增益在至少部分时刻不同。
可选地，所述装置还包括：
控制模块，用于控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益，使得所述光转换模块和/或所述放大模块在第一时刻的放大增益大于在第二时刻的放大增益，其中，第一时刻和第二时刻均位于所述光脉冲的发射时刻与所述反射的光脉冲信号的接收时刻之间，且第一时刻晚于第二时刻。
可选地，所述控制模块还用于：控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益在所述光脉冲的发射时刻与所述反射的光脉冲信号的接收时刻之间逐渐增大。
可选地，所述控制模块还用于：控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益在所述光脉冲的发射时刻与所述反射的光脉冲信号的接收时刻之间线性增长。
可选地，所述控制模块还用于：控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益在所述光脉冲的发射时刻与所述反射的光脉冲信号的接收时刻之间增长，且增长的速度逐渐加快。
可选地，所述装置还包括RC积分电路，其中，所述控制模块通过RC积分电路控制所述可变增益放大器的电压，使得所述可变增益放大器的电压逐渐增大。
可选地，所述控制模块还用于：
从所述光脉冲信号的发射时刻开始，控制所述光转换模块和/或所述放大模块的放大增益从初始值开始增加。
可选地，所述控制模块还用于：控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益在所述光脉冲的发射时刻与所述反射的光脉冲信号的接收时刻之间阶梯性增长。
可选地，所述放大模块包括可变增益放大器或可编程增益放大器。
可选地，所述放大模块包括可变增益放大器，所述控制模块控制所述可变增益放大器的反馈电阻，以改变所述可变增益放大器的放大增益。
可选地，所述发射模块还用于：发射光脉冲序列，其中相邻两次光脉冲的发射时间间隔大于最长探测时长的至少10倍，其中，所述最长探测时长为能够探测到的最小的、经过物体反射的光脉冲信号的探测时间，与对应的光脉冲发射时间的间隔。
可选地，所述控制模块还用于：
分别在所述光脉冲序列中的至少部分光脉冲的发射时刻开始控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益从初始值开始增长；
分别在距离所述至少部分光脉冲的发射时刻达到最长探测时长之后，控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益停止增长。
根据本发明实施例的提供的一种测距装置，所述测距装置用于根据所述发射的光脉冲信号和所述接收的经物体反射的光脉冲信号，确定所述物体与所述测距装置的距离；所述测距装置包括上述的信号放大装置。
可选地，所述测距装置还包括：
扫描模块，用于改变所述光脉冲序列的出射方向，使得所述光脉冲序列中的各光脉冲依次出射至不同方向。
可选地，所述扫描模块包括：至少2个旋转的、具有非平行的出射面和入射面的光折射元件。
本发明通过提供上述信号放大方法、装置和测距装置，通过根据反射的光脉冲信号的飞行时间的不同，对所述反射的光脉冲信号进行不同倍数的放大，以解决反射的光脉冲信号被放大后信息丢失或仍然无法被检测到的问题，保证以合适的放大倍数对反射的光脉冲信号进行放大，有利于提高信号处理的有效性和可靠性。
本发明实施例中所使用的技术术语仅用于说明特定实施例而并不旨在限定本发明。在本文中，单数形式“一”、“该”及“所述”用于同时包括复数形式，除非上下文中明确另行说明。进一步地，在说明书中所使用的用于“包括”和/或“包含”是指存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或构件，但是并不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件和/或构件。
在所附权利要求中对应结构、材料、动作以及所有装置或者步骤以及功能元件的等同形式(如果存在的话)旨在包括结合其他明确要求的元件用于执行该功能的任何结构、材料或动作。本发明的描述出于实施例和描述的目的被给出，但并不旨在是穷举的或者将被发明限制在所公开的形式。在不偏离本发明的范围和精神的情况下，多种修改和变形对于本领域的一般技术人员而言是显而易见的。本发明中所描述的实施例能够更好地揭示本发明的原理与实际应用，并使本领域的一般技术人员可了解本发明。
本发明中所描述的流程图仅仅为一个实施例，在不偏离本发明的精神的情况下对此图示或者本发明中的步骤可以有多种修改变化。比如，可以不同次序的执行这些步骤，或者可以增加、删除或者修改某些步骤。本领域的一般技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (28)

1.一种信号放大方法，其特征在于，所述方法包括：
发射光脉冲信号；
通过光转换模块接收经过物体反射的光脉冲信号，并将所述光脉冲信号转化为电脉冲信号；
通过放大模块对所述电脉冲信号进行放大；
其中，在所述光脉冲的发射时刻与所述反射的光脉冲信号的接收时刻之间，所述光转换模块的放大增益在至少部分时刻不同，和/或，所述放大模块的放大增益在至少部分时刻不同；
所述方法还包括：
控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益，使得所述光转换模块和/或所述放大模块在第一时刻的放大增益大于在第二时刻的放大增益，其中，第一时刻和第二时刻均位于所述光脉冲的发射时刻与所述反射的光脉冲信号的接收时刻之间，且第一时刻晚于第二时刻。
2.如权利要求1所述的方法，所述控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益，包括：
控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益在所述光脉冲的发射时刻与所述反射的光脉冲信号的接收时刻之间逐渐增大。
3.如权利要求2所述的方法，所述控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益，包括：
控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益在所述光脉冲的发射时刻与所述反射的光脉冲信号的接收时刻之间线性增长。
4.如权利要求2所述的方法，所述控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益，包括：
控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益在所述光脉冲的发射时刻与所述反射的光脉冲信号的接收时刻之间增长，且增长的速度逐渐加快。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述放大模块包括可变增益放大器，所述控制所述放大模块的放大增益，包括：
通过RC积分电路控制所述可变增益放大器的电压，使得所述可变增益放大器的电压逐渐增大。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益，包括：
从所述光脉冲信号的发射时刻开始，控制所述光转换模块和/或所述放大模块的放大增益从初始值开始增加。
7.如权利要求1所述的方法，所述控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益，包括：
控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益在所述光脉冲的发射时刻与所述反射的光脉冲信号的接收时刻之间阶梯性增长。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述放大模块包括可变增益放大器或可编程增益放大器。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述放大模块包括可变增益放大器，所述方法还包括：
控制所述可变增益放大器的反馈电阻，以改变所述可变增益放大器的放大增益。
10.如权利要求1至9任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
发射光脉冲序列，其中相邻两次光脉冲的发射时间间隔大于最长探测时长的至少10倍，其中，所述最长探测时长为能够探测到的最小的、经过物体反射的光脉冲信号的探测时间，与对应的光脉冲发射时间的间隔。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
分别在所述光脉冲序列中的至少部分光脉冲的发射时刻开始控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益从初始值开始增长；
分别在距离所述至少部分光脉冲的发射时刻达到最长探测时长之后，控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益停止增长。
12.如权利要求1至9任一项所述的方法，其特征在于，所述方法应用于测距装置，所述方法还包括：
根据所述发射的光脉冲信号和所述接收的经物体反射的光脉冲信号，确定所述物体与所述测距装置的距离。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
发射光脉冲序列；
利用扫描模块改变所述光脉冲序列的出射方向，使得所述光脉冲序列中的各光脉冲依次出射至不同方向。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述扫描模块包括至少2个旋转的、具有非平行的出射面和入射面的光折射元件。
15.一种信号放大装置，其特征在于，包括：
发射模块，用于发射光脉冲信号；
光转换模块，用于接收经过物体反射的光脉冲信号，并将所述光脉冲信号转化为电脉冲信号；
放大模块，用于对所述电脉冲信号进行放大；
其中，在所述光脉冲的发射时刻与所述反射的光脉冲信号的接收时刻之间，所述光转换模块的放大增益在至少部分时刻不同，和/或，所述放大模块的放大增益在至少部分时刻不同；
所述装置还包括：
控制模块，用于控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益，使得所述光转换模块和/或所述放大模块在第一时刻的放大增益大于在第二时刻的放大增益，其中，第一时刻和第二时刻均位于所述光脉冲的发射时刻与所述反射的光脉冲信号的接收时刻之间，且第一时刻晚于第二时刻。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述控制模块还用于：控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益在所述光脉冲的发射时刻与所述反射的光脉冲信号的接收时刻之间逐渐增大。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述控制模块还用于：控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益在所述光脉冲的发射时刻与所述反射的光脉冲信号的接收时刻之间线性增长。
18.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述控制模块还用于：控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益在所述光脉冲的发射时刻与所述反射的光脉冲信号的接收时刻之间增长，且增长的速度逐渐加快。
19.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述放大模块包括可变增益放大器,所述装置还包括RC积分电路，其中，所述控制模块通过RC积分电路控制所述可变增益放大器的电压，使得所述可变增益放大器的电压逐渐增大。
20.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述控制模块还用于：
从所述光脉冲信号的发射时刻开始，控制所述光转换模块和/或所述放大模块的放大增益从初始值开始增加。
21.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述控制模块还用于：控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益在所述光脉冲的发射时刻与所述反射的光脉冲信号的接收时刻之间阶梯性增长。
22.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述放大模块包括可变增益放大器或可编程增益放大器。
23.如权利要求22所述的装置，其特征在于，所述放大模块包括可变增益放大器，所述控制模块控制所述可变增益放大器的反馈电阻，以改变所述可变增益放大器的放大增益。
24.如权利要求15至23任一项所述的装置，其特征在于，所述发射模块还用于：发射光脉冲序列，其中相邻两次光脉冲的发射时间间隔大于最长探测时长的至少10倍，其中，所述最长探测时长为能够探测到的最小的、经过物体反射的光脉冲信号的探测时间，与对应的光脉冲发射时间的间隔。
25.如权利要求24所述的装置，其特征在于，所述控制模块还用于：
分别在所述光脉冲序列中的至少部分光脉冲的发射时刻开始控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益从初始值开始增长；
分别在距离所述至少部分光脉冲的发射时刻达到最长探测时长之后，控制所述光转换模块的放大增益和/或所述放大模块的放大增益停止增长。
26.一种测距装置，其特征在于，所述测距装置用于根据所述发射的光脉冲信号和所述接收的经物体反射的光脉冲信号，确定所述物体与所述测距装置的距离；所述测距装置包括如权利要求15至25中任一项所述的信号放大装置。
27.如权利要求26所述的测距装置，其特征在于，所述测距装置还包括：
扫描模块，用于改变所述光脉冲序列的出射方向，使得所述光脉冲序列中的各光脉冲依次出射至不同方向。
28.如权利要求27所述的测距装置，其特征在于，所述扫描模块包括：至少2个旋转的、具有非平行的出射面和入射面的光折射元件。
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