本發(fā)明屬于激光雷達，具體涉及一種apd(avalanche?photodiode，雪崩光電二極管)線性激光雷達接收系統(tǒng)信號級仿真方法及裝置。

背景技術：

1、激光雷達技術是在光電探測技術和電磁雷達技術基礎上發(fā)展起來的一種信息探測與獲取技術。激光雷達成像技術則是以激光雷達技術為基石，將傳感器測量所得的信息按照特定規(guī)律存儲并轉化為視覺表現(xiàn)結果，從而能夠精確地表述環(huán)境信息。在市場需求的強烈推動下，不同體制的成像激光雷達在多種應用背景中不斷涌現(xiàn)并迅速發(fā)展，其中基于線性模式apd的成像激光雷達由于適用于需要對目標進行快速、高精度成像的場合，在近十幾年間異軍突起成為激光雷達技術領域的重要發(fā)展方向。

2、激光雷達成像系統(tǒng)的研制是一個復雜的過程，涉及系統(tǒng)分析、結構設計、原型制造和工程應用等多個環(huán)節(jié)。在這些環(huán)節(jié)中，系統(tǒng)參數(shù)和原理設計的選擇至關重要，直接影響著系統(tǒng)的成像結果。如果參數(shù)和原理設計不合理，不僅無法充分發(fā)揮激光雷達成像的優(yōu)勢，甚至可能導致系統(tǒng)無法正常工作。因此，為了實現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)化的參數(shù)設計和成像控制，準確的系統(tǒng)預測和科學的性能評估是十分必要且迫切的。而在科研和工程領域，仿真技術是研究與試驗中不可或缺的關鍵工具。無論系統(tǒng)具備怎樣的復雜度，只要能夠準確地建立起系統(tǒng)模型，就可以通過仿真技術對系統(tǒng)進行全面深入的研究。仿真模型一旦確立便可以反復使用，并且可以根據(jù)需要靈活地進行修改，這一特點為系統(tǒng)的更新和優(yōu)化提供了便利。依靠仿真技術，能夠逐步修正系統(tǒng)并據(jù)此采取相應的決策和措施，從而使系統(tǒng)處于科學的管理和控制之中。

3、基于此，現(xiàn)階段對于激光雷達系統(tǒng)的仿真工作也得到了逐步的重視與發(fā)展。與此同時，隨著計算機行業(yè)的迅猛發(fā)展，對激光雷達數(shù)字仿真的需求也在逐步跟進。近年來，國內(nèi)外在激光雷達仿真的研究方面不斷取得進展，仿真研究已成為開發(fā)新的激光雷達系統(tǒng)的基本前提，其不僅能夠為激光雷達的開發(fā)者提供系統(tǒng)性能的預測和系統(tǒng)設計的優(yōu)化方向，還能讓研究者通過測試數(shù)據(jù)來開發(fā)和驗證專用于特定系統(tǒng)的應用算法。因此，對激光雷達仿真技術的深入研究具有重要的現(xiàn)實意義和廣闊的發(fā)展前景。

4、現(xiàn)階段在激光雷達接收系統(tǒng)的仿真方面，通常在完成接收電路的設計仿真工作后，通過對電路仿真結果的分析得出研究結論，或直接搭建樣機進行結果驗證。而對于探測器件apd則往往通過器件參數(shù)化模型提取等效電路來與電路設計和仿真進行關聯(lián)。但是，這種做法會造成針對器件或電路的仿真僅達成了針對各自工作過程和工作性能的獨立仿真和設計，使得器件或電路在應用到樣機之前得不到充分驗證，導致所設計的器件、電路甚至于系統(tǒng)無法滿足實際應用條件下的整機性能指標要求，且難以進行異常測試和誤差定位，進而導致設計周期和實驗成本的增加。

技術實現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術中所存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種apd線性激光雷達接收系統(tǒng)信號級仿真方法及裝置。

2、本發(fā)明要解決的技術問題通過以下技術方案實現(xiàn)：

3、一種apd線性激光雷達接收系統(tǒng)信號級仿真方法，包括：

4、通過器件仿真輔助設計apd器件，并提取設計好的apd器件的電特性數(shù)據(jù)；

5、根據(jù)所述電特性數(shù)據(jù)建立apd器件等效電路；所述apd器件等效電路包括：反向偏置的apd元件和光電流等效電路；所述反向偏置的apd元件用于根據(jù)所述電特性數(shù)據(jù)模擬apd器件的暗電流輸出；所述光電流等效電路用于模擬apd器件的光電流輸出；

6、將所述apd器件等效電路關聯(lián)至雷達接收系統(tǒng)的前端接收電路并進行電路仿真，得到滿足設計要求的前端接收電路；

7、將所述前端接收電路關聯(lián)至雷達接收系統(tǒng)并進行系統(tǒng)仿真；

8、若系統(tǒng)仿真結果不滿足要求，通過繼續(xù)聯(lián)合進行所述apd器件仿真、所述電路仿真和所述系統(tǒng)仿真，設計出apd器件、前端接收電路和雷達接收系統(tǒng)均滿足設計要求的雷達接收系統(tǒng)。

9、可選地，所述通過器件仿真輔助設計apd器件，包括：

10、對apd器件的結構及工藝進行仿真，得到apd器件模型；

11、使用數(shù)值計算方法和物理模型分析所述apd器件模型的電學特性、光學特性、光-電行為和內(nèi)部物理狀態(tài)；

12、若所述電學特性、光學特性、光-電行為和/或內(nèi)部物理狀態(tài)不滿足要求，通過繼續(xù)對apd器件的結構及工藝進行仿真，并分析apd器件模型的電學特性、光學特性、光-電行為和內(nèi)部物理狀態(tài)，設計出滿足設計要求的apd器件。

13、可選地，所述前端接收電路，包括：所述apd器件等效電路、電容反饋跨阻放大器、時刻鑒別電路以及時間-幅度轉換電路；其中，

14、所述apd器件等效電路用于模擬輸出apd器件的光電流和暗電流；所述光電流和暗電流分別通過兩個流控電流源連接至所述電容反饋跨阻放大器；

15、所述電容反饋跨阻放大器用于根據(jù)所述光電流和暗電流輸出強度探測信號；

16、所述時刻鑒別電路用于根據(jù)所述強度探測信號進行時刻鑒別，得到時刻鑒別信號；

17、所述時間-幅度轉換電路用于根據(jù)所述時刻鑒別信號輸出模擬電壓量；所述模擬電壓量用于表征激光脈沖的飛行時間；所述激光脈沖由所述光電流表征。

18、可選地，所述光電流等效電路，包括：脈沖電流源、電容和電阻；

19、其中，所述電容并聯(lián)于所述脈沖電流源，所述電阻的一端連接所述脈沖電流源，另一端通過流控電流源連接至所述電容反饋跨阻放大器；其中，用所述脈沖電流源輸出的電流來模擬apd器件的光電流。

20、可選地，所述進行電路仿真，包括：

21、對所述apd器件等效電路、電容反饋跨阻放大器、時刻鑒別電路以及時間-幅度轉換電路分別進行設計和仿真，以使所述apd器件等效電路、電容反饋跨阻放大器、時刻鑒別電路以及時間-幅度轉換電路的電特性均滿足設計要求；

22、將所述apd器件等效電路、電容反饋跨阻放大器、時刻鑒別電路以及時間-幅度轉換電路組合為所述前端接收電路，并對該前端接收電路進行瞬態(tài)仿真；

23、若瞬態(tài)仿真結果不滿足要求，通過繼續(xù)對所述apd器件等效電路、電容反饋跨阻放大器、時刻鑒別電路、時間-幅度轉換電路和/或所述前端接收電路進行設計與仿真，設計出滿足設計要求的前端接收電路。

24、可選地，所述系統(tǒng)仿真，包括：像元模塊、批量仿真模塊和成像模塊；

25、所述像元模塊，包括輸入模塊、所述前端接收電路和輸出模塊；

26、所述輸入模塊，用于從預先編寫的第一matlab腳本讀入回波數(shù)據(jù)信息，根據(jù)所述回波數(shù)據(jù)信息，利用分段線性電流源模擬所述光電流等效電路中的脈沖電流源產(chǎn)生所述光電流；

27、所述前端接收電路，用于輸出所述強度探測信號和所述模擬電壓量；

28、所述輸出模塊，用于將所述強度探測信號和所述模擬電壓量處理為仿真數(shù)據(jù)并輸出所述仿真數(shù)據(jù)；

29、所述批量仿真模塊，用于根據(jù)陣列像元數(shù)量，批量調用所述像元模塊，得到各像元的仿真數(shù)據(jù)；

30、所述成像模塊，用于根據(jù)各像元的仿真數(shù)據(jù)輸出距離圖和強度圖作為所述系統(tǒng)仿真結果。

31、可選地，所述方法還包括：

32、獲取第二matlab腳本；所述第二matlab腳本中設置有電路元件參數(shù)變化對系統(tǒng)仿真結果的影響的數(shù)學擬合關系；

33、在所述批量仿真模塊調用所述像元模塊的同時，根據(jù)該像元模塊的電路元件參數(shù)調用所述第二matlab腳本，以將該像元模塊的電路元件參數(shù)對該像元模塊的影響體現(xiàn)在該像元模塊的仿真數(shù)據(jù)中；

34、所述系統(tǒng)仿真結果還包括：所述距離圖和強度圖的成像非均勻性。

35、本發(fā)明還提供一種apd線性激光雷達接收系統(tǒng)信號級仿真裝置，包括：

36、器件仿真模塊，用于通過器件仿真輔助設計apd器件，并提取設計好的apd器件的電特性數(shù)據(jù)；

37、apd器件等效電路；所述apd器件等效電路是根據(jù)所述電特性數(shù)據(jù)建立的；所述apd器件等效電路包括：反向偏置的apd元件和光電流等效電路；所述反向偏置的apd元件用于根據(jù)所述電特性數(shù)據(jù)模擬apd器件的暗電流輸出；所述光電流等效電路用于模擬apd器件的光電流輸出；

38、電路仿真模塊，用于將所述apd器件等效電路關聯(lián)至雷達接收系統(tǒng)的前端接收電路并進行電路仿真，得到滿足設計要求的前端接收電路；

39、系統(tǒng)仿真模塊，用于將所述前端接收電路關聯(lián)至雷達接收系統(tǒng)并進行系統(tǒng)仿真；其中，若系統(tǒng)仿真結果不滿足要求，通過繼續(xù)聯(lián)合調用所述器件仿真模塊、所述電路仿真模塊和所述系統(tǒng)仿真模塊，設計出apd器件、前端接收電路和雷達接收系統(tǒng)均滿足設計要求的雷達接收系統(tǒng)。

40、可選地，所述器件仿真模塊，具體用于：

41、對apd器件的結構及工藝進行仿真，得到apd器件模型；

42、使用數(shù)值計算方法和物理模型分析所述apd器件模型的電學特性、光學特性、光-電行為和內(nèi)部物理狀態(tài)；

43、其中，若所述電學特性、光學特性、光-電行為和/或內(nèi)部物理狀態(tài)不滿足要求，通過繼續(xù)對apd器件的結構及工藝進行仿真，并分析apd器件模型的電學特性、光學特性、光-電行為和內(nèi)部物理狀態(tài)，設計出滿足設計要求的apd器件。

44、可選地，所述前端接收電路，包括：所述apd器件等效電路、電容反饋跨阻放大器、時刻鑒別電路以及時間-幅度轉換電路；

45、其中，所述apd器件等效電路用于模擬輸出apd器件的光電流和暗電流；所述光電流和暗電流分別通過兩個流控電流源連接至所述電容反饋跨阻放大器；

46、所述電容反饋跨阻放大器用于根據(jù)所述光電流和暗電流輸出強度探測信號；

47、所述時刻鑒別電路用于根據(jù)所述強度探測信號進行時刻鑒別，得到時刻鑒別信號；

48、所述時間-幅度轉換電路用于根據(jù)所述時刻鑒別信號輸出模擬電壓量；所述模擬電壓量用于表征激光脈沖的飛行時間；所述激光脈沖由所述光電流表征。

49、本發(fā)明提供的apd線性激光雷達接收系統(tǒng)信號級仿真方法，形成了一套針對apd線性激光雷達接收系統(tǒng)的全系統(tǒng)信號級仿真方法，成功建立了器件級、電路級和系統(tǒng)級在仿真中的關聯(lián)，實現(xiàn)了全流程仿真，可用于對激光雷達接收系統(tǒng)的整個光電成像鏈路建模分析，仿真出指定器件、電路以及系統(tǒng)設計下的成像效果，為真實樣機設計提供參考。本發(fā)明建立的仿真鏈路可以根據(jù)需求在各仿真層級都進行具體精確的仿真工作，包括器件的工藝設計和多方面特性仿真、電路結構設計和參數(shù)優(yōu)化、系統(tǒng)信號處理設計等，同時結合實際物理原理和仿真工具的功能將各層級的仿真工作合理關聯(lián)了起來。本發(fā)明中對仿真的關聯(lián)建立在各層級仿真工作的基礎上并且盡可能全面地保留了各層級的仿真信息，能夠在整機應用性能層面對探測器、電路和系統(tǒng)的結構設計、參數(shù)配置進行仿真驗證，能夠綜合考慮各部分設計、工藝、參數(shù)等因素的影響并對其進行優(yōu)化，可以實現(xiàn)多種誤差的注入和異常狀態(tài)的模擬，脫離硬件測試設備的限制降低了驗證成本，允許對系統(tǒng)中各個層級的設計進行精確控制提高了驗證效率，通過在系統(tǒng)級仿真中接入模擬激光回波信號可以使樣機在具體應用條件下的性能得到更直觀的反映。

50、以下將結合附圖及對本發(fā)明做進一步詳細說明。