一种激光雷达多通道光子计数与模拟探测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种激光雷达多通道光子计数与模拟探测装置及方法，属于激光雷达信号高速实时采集处理技术领域，用于实现大气探测激光雷达多通道回波信号的光子计数探测与模拟探测。包括模拟信号调理采集模块、光子信号整形模块、时钟分配模块、电源管理模块、对外接口模块、低速FPGA模块和高速FPGA模块组成。本发明专利技术可实时处理大气探测激光雷达回波信号，同时实现多通道激光回波光子计数探测与模拟探测，并具有硬件集成度高、性能稳定、功能可扩展的特点。

A Multichannel Photon Counting and Simulated Detection Device and Method for Lidar

【技术实现步骤摘要】
一种激光雷达多通道光子计数与模拟探测装置及方法
本专利技术涉及一种激光雷达多通道光子计数与模拟探测装置及方法，属于激光雷达信号高速实时采集处理
，用于实现大气探测激光雷达多通道回波信号的光子计数探测与模拟探测。
技术介绍
大气气溶胶和云在全球气候和环境变化过程中扮演重要的角色，对地球-大气-海洋之间的辐射收支平衡有重要的影响，近年来引起科学界和国际社会的普遍关注。传统的测量手段很难实时获取高分辨的大气气溶胶特性的垂直分布，大气探测激光雷达是探测大气气溶胶和云垂直分布的强有力工具。特别是多波长、多通道大气探测激光雷达，不仅可获取不同探测波长下大气气溶胶和云的光学参数垂直空间分布，而且可获取气溶胶微物理参数及其类型的空间分布。是近年来激光大气遥感的重点发展方向。大气探测激光雷达的信号探测方法一般为直接测量后向散射信号的强度，利用回波强度反演出探测目标光学参数与微物理参数的时空分布。其探测方式可以分为光子计数探测与模拟探测，光子计数探测是对测量距离范围内连续单位时间片中光子脉冲个数进行统计，光子个数表征后向散射信号强度，光子计数探测要求探测系统具有高带宽、高计数率和高时间分辨率，一般要求模拟带宽要大于GHz，计数率大于200MCPS，时间分辨率优于1～2ns。模拟探测采用模数转换方法获取后向散射信号，模拟探测要求探测系统具有极低的系统噪声，高线性度与高精度采集，一般要求系统噪声峰峰值优于1mV，线性度优于5％，采样位数优于14bits。对于多波长、多通道大气探测激光雷达，光子计数探测和模拟探测需同时使用，获得不同探测器输出的激光回波信号，多通道探测要求具有系统具有高并行处理能力，高数据吞吐率、高集成度与低功耗。传统的探测系统利用现场可编程门阵列(FPGA)与数字信号处理芯片(DSP)组合的形式，用FPGA实现系统控制，DSP实现信号处理，由于DSP基本为串行处理，很难同时满足多通道实时处理的需求。因此，为了满足大气探测激光雷达光子计数探测与模拟探测多通道同时测量，需要开发集成了光子计数探测和模拟探测的多通道探测系统，并将系统控制、多通道光子与模拟激光回波信号处理算法采用硬件实现，使得系统具有更高的实时性与集成度，更加有利于大气探测激光雷达的应用。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种激光雷达多通道光子计数与模拟探测装置及方法，解决了激光雷达光子计数与模拟采集的激光回波探测问题，具有激光回波多模式多通道同时测量、光子计数通道计数率时间分辨率高、模拟采集通道线性度动态范围高、集成度高的优点。也适用于其它微弱光信号探测场合。本专利技术采用的技术解决方案如下：一种激光雷达多通道光子计数与模拟探测装置，该装置包括模拟信号调理采集模块、光子信号整形模块、时钟分配模块、电源管理模块、对外接口模块、低速FPGA模块和高速FPGA模块；所述的模拟信号调理采集模块包括若干个模拟采集子通道，每个模拟采集子通道包括第一数模转换模块(DAC)、宽带可调增益差分放大器和模数转换模块(ADC)；所述的光子信号整形模块包括若干个整形通道子模块，每个整形通道子模块包括跨阻放大模块、电平比较模块、脉冲降速模块、电平转换模块和第二数模转换模块(DAC)；所述的第一数模转换模块(DAC)为宽带可调增益差分放大器提供增益控制电压信号；所述的宽带可调增益差分放大器用于接收激光雷达模拟通道发送的模拟电压信号，并将接收到的模拟电压信号进行低噪声宽带放大后输出放大后的模拟电压信号给模数转换模块(ADC)；宽带可调增益差分放大器对接收到的模拟电压信号进行低噪声宽带放大时的电压放大倍数根据宽带可调增益差分放大器接收到的第一数模转换模块(DAC)发送的增益控制电压信号进行确定；所述的模数转换模块(ADC)用于接收宽带可调增益差分放大器发送的放大后的模拟电压信号，并将接收到的放大后的模拟电压信号进行模数转换后输出数字信号采样值给高速FPGA模块；所述的跨阻放大模块用于接收激光雷达光子通道发送的光子电流信号，并将接收到的光子电流信号进行电流-电压转换与宽带高增益反相放大后输出模拟电压脉冲信号给电平比较模块；所述的第二数模转换模块(DAC)为电平比较模块提供门限判决电压信号；所述的电平比较模块用于接收跨阻放大模块发送的模拟电压脉冲信号，并对接收到的模拟电压脉冲信号进行门限判别与模数转换后输出数字脉冲信号给脉冲降速模块；电平比较模块对接收到的模拟电压脉冲信号进行门限判别时的门限电压根据第二数模转换模块(DAC)发送的门限判决电压信号进行确定；所述脉冲降速模块用于接收电平比较模块发送的数字脉冲信号，并对接收到的数字脉冲信号进行分频降速处理后输出ECL电平数字脉冲信号给电平转换模块；所述的电平转换模块用于接收脉冲降速模块发送的ECL电平数字脉冲信号，并对接收到的ECL电平数字脉冲信号进行电平转换后输出LVDS电平数字脉冲信号给高速FPGA；所述的时钟分配模块用于给低速FPGA、高速FPGA和模数转换模块(ADC)提供工作时钟；所述的电源管理模块用于接收外部提供的+10V-+16V直流电压，并将接收到的直流电压进行电压转换与分配后输出模拟信号调理采集模块、光子信号整形模块、时钟分配模块、对外接口模块、低速FPGA模块、高速缓存模块和高速FPGA模块所需要的电压；所述的低速FPGA模块用于实现电源管理模块的加断电配置，还用于实现时钟分配模块的输出时钟频率配置；所述的对外接口模块用于给高速FPGA模块提供周期性触发信号，还用于接收控制与通信模块发送的累加值序列，并将接收到的累加值序列发送出去，例如给上位机，上位机对接收到的数据进行处理；所述的高速FPGA模块包括控制与通信模块、光子脉冲检测计数模块和数据采集积累模块；所述的光子脉冲检测计数模块包括第一距离门产生模块、光子检测模块、光子计数模块和第一积累模块；所述的光子检测模块用于接收电平转换模块发送的LVDS电平数字脉冲信号并对接收到的LVDS电平数字脉冲信号进行多相时钟光子脉冲检测后得到有无光子指示信号给光子计数模块；多相时钟光子脉冲检测方法为：光子检测模块将时钟分配模块输入的250MHz系统时钟变换为0度、90度、180度、270度4个相位的250MHz时钟，利用这4个相位的时钟同时对光子脉冲采样，同一采样时刻产生4位采样码，通过检测采样码的跳变确定当前是否有光子脉冲，从而确定有无光子指示信号；所述的第一距离门产生模块用于接收对外接口模块提供的周期性触发信号，并根据接收到的周期性触发信号产生连续的距离门控制信号给光子计数模块；所述的光子计数模块用于接收光子检测模块发送的有无光子指示信号，还用于接收第一距离门产生模块发送的距离门控制信号，并根据接收到的有无光子指示信号和距离门控制信号得到每个距离门内光子个数给第一积累模块；所述的第一积累模块用于接收光子计数模块发送的每个距离门内光子个数，并对接收到的每个距离门内光子个数进行累加，得到累加值序列给控制与通信模块；所述的数据采集积累模块包括数据接收模块、第二距离门产生模块和第二积累模块；所述的数据接收模块用于接收模数转换模块(ADC)发送的数字信号采样值，还用于接收第二距离门产生模块发送的距离门控制信号，并根据接收到的数字信号和距离门控制信号得到本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光雷达多通道光子计数与模拟探测装置，其特征在于：该装置包括模拟信号调理采集模块、光子信号整形模块、时钟分配模块、电源管理模块、对外接口模块、低速FPGA模块和高速FPGA模块；所述的模拟信号调理采集模块包括模拟采集子通道，模拟采集子通道包括第一数模转换模块、宽带可调增益差分放大器和模数转换模块；所述的光子信号整形模块包括整形通道子模块，整形通道子模块包括跨阻放大模块、电平比较模块、脉冲降速模块、电平转换模块和第二数模转换模块；所述的时钟分配模块用于给低速FPGA、高速FPGA和模数转换模块提供工作时钟；所述的电源管理模块用于接收外部提供直流电压，并将接收到的直流电压进行电压转换与分配后输出模拟信号调理采集模块、光子信号整形模块、时钟分配模块、对外接口模块、低速FPGA模块、高速缓存模块和高速FPGA模块所需要的电压；所述的低速FPGA模块用于实现电源管理模块的加断电配置，还用于实现时钟分配模块的输出时钟频率配置；所述的对外接口模块用于给高速FPGA模块提供周期性触发信号，还用于接收控制与通信模块发送的累加值序列，并将接收到的累加值序列发送出去；所述的高速FPGA模块包括控制与通信模块、光子脉冲检测计数模块和数据采集积累模块；所述的光子脉冲检测计数模块包括第一距离门产生模块、光子检测模块、光子计数模块和第一积累模块；所述的数据采集积累模块包括数据接收模块、第二距离门产生模块和第二积累模块。...

【技术特征摘要】
1.一种激光雷达多通道光子计数与模拟探测装置，其特征在于：该装置包括模拟信号调理采集模块、光子信号整形模块、时钟分配模块、电源管理模块、对外接口模块、低速FPGA模块和高速FPGA模块；所述的模拟信号调理采集模块包括模拟采集子通道，模拟采集子通道包括第一数模转换模块、宽带可调增益差分放大器和模数转换模块；所述的光子信号整形模块包括整形通道子模块，整形通道子模块包括跨阻放大模块、电平比较模块、脉冲降速模块、电平转换模块和第二数模转换模块；所述的时钟分配模块用于给低速FPGA、高速FPGA和模数转换模块提供工作时钟；所述的电源管理模块用于接收外部提供直流电压，并将接收到的直流电压进行电压转换与分配后输出模拟信号调理采集模块、光子信号整形模块、时钟分配模块、对外接口模块、低速FPGA模块、高速缓存模块和高速FPGA模块所需要的电压；所述的低速FPGA模块用于实现电源管理模块的加断电配置，还用于实现时钟分配模块的输出时钟频率配置；所述的对外接口模块用于给高速FPGA模块提供周期性触发信号，还用于接收控制与通信模块发送的累加值序列，并将接收到的累加值序列发送出去；所述的高速FPGA模块包括控制与通信模块、光子脉冲检测计数模块和数据采集积累模块；所述的光子脉冲检测计数模块包括第一距离门产生模块、光子检测模块、光子计数模块和第一积累模块；所述的数据采集积累模块包括数据接收模块、第二距离门产生模块和第二积累模块。2.根据权利要求1所述的一种激光雷达多通道光子计数与模拟探测装置，其特征在于：所述的第一数模转换模块为宽带可调增益差分放大器提供增益控制电压信号；所述的宽带可调增益差分放大器用于接收激光雷达模拟通道发送的模拟电压信号，并将接收到的模拟电压信号进行低噪声宽带放大后输出放大后的模拟电压信号给模数转换模块；所述的模数转换模块用于接收宽带可调增益差分放大器发送的放大后的模拟电压信号，并将接收到的放大后的模拟电压信号进行模数转换后输出数字信号采样值给高速FPGA模块。3.根据权利要求1所述的一种激光雷达多通道光子计数与模拟探测装置，其特征在于：所述的跨阻放大模块用于接收激光雷达光子通道发送的光子电流信号，并将接收到的光子电流信号进行电流-电压转换与宽带高增益反相放大后输出模拟电压脉冲信号给电平比较模块；所述的第二数模转换模块为电平比较模块提供门限判决电压信号；所述的电平比较模块用于接收跨阻放大模块发送的模拟电压脉冲信号，并对接收到的模拟电压脉冲信号进行门限判别与模数转换后输出数字脉冲信号给脉冲降速模块；所述脉冲降速模块用于接收电平比较模块发送的数字脉冲信号，并对接收到的数字脉冲信号进行分频降速处理后输出ECL电平数字脉冲信号给电平转换模块；所述的电平转换模块用于接收脉冲降速模块发送的ECL电平数字脉冲信号，并对接收到的ECL电平数字脉冲信号进行电平转换后输出LVDS电平数字脉冲信号给高速FPGA。4.根据权利要求1所述的一种激光雷达多通道光子计数与模拟探测装置，其特征在于：所述的光子检测模块用于接收电平转换模块发送的LVDS电平数字脉冲信号并对接收到的LVDS电平数字脉冲信号进行多相时钟光子脉冲检测后得到有无光子指示信号给光子计数模块；所述的第一距离门产生模块用于接收对外接口模块提供的周期性触发信号，并根据接收到的周期性触发信号产生连续的距离门控制信号给光子计数模块；所述的光子计数模块用于接收光子检测模块发送的有无光子指示信号，还用于接收第一距离门产生模...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘超，赵一鸣，王丽东，时志云，胡涛涛，
申请(专利权)人：北京遥测技术研究所，航天长征火箭技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11