CN109932705A - 一种超宽动态范围激光回波接收装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超宽动态范围激光回波接收装置及其控制方法，该方案包括有门控脉冲发生器、高压放大脉冲成形电路、高压输出电路、光电倍增管；门控脉冲发生器接入触发脉冲信号和+12V输入电源；门控脉冲发生器分别与高压输出电路和高压放大成形电路电连接；高压输出电路的‑LV高压输出端以及‑HV高压输出端均与高压放大脉冲成形电路的高压输入端电连接；高压放大脉冲成形电路的输出端与光电倍增管的电源输入端电连接。该方案在脉冲激光由近及远的传播过程中，通过采用变高压调制技术，控制光电倍增管的电源电压由低到高变化，实现其增益以指数方式平滑增加，以提升回波接收的动态范围，适应水下、雨雾等强散射环境中的目标探测。
Description
技术领域
本发明涉及的是激光雷达领域，尤其是一种超宽动态范围激光回波接收装置及其控制方法。
背景技术
在现有技术中，采用激光探测水下目标和雨雾中的目标，最大难点是超宽动态范围目标信号的接收问题。由于激光在水中和雨雾环境下传输时将遭受强烈的散射和吸收，光束能量呈指数衰减。为了能够探测距离较远的目标，需要采用峰值功率极大的脉冲光束，由此造成目标距离远近不同时，回波强度差异显著，加之水体/雨雾的后向散射干扰，回波强度的动态范围可达5～6个数量级以上。然而，现有的光电探测器测量范围均小于3个数量级，无法有效记录这些超宽动态范围的回波信号。
为了解决上述问题，目前采取的方法主要有：1)、减小接收视场角度，避开水体/雨雾的后向散射主峰，降低背景干扰和杂散信号，但此方法将导致目标近程探测存在盲区；2)、正交偏振技术，回波探测采用与发射光偏振方向正交的接收方式，虽然可以降低水体/雨雾的后向散射，但也同样降低了目标回波的信号强度，作用距离有限，不利于远距离探测；3)、相干探测，利用诸如法布里—珀罗干涉原理，只检测回波中的相干光，但由于水体/雨雾散射作用的去相干性，回波中的相干光随目标距离的增加急剧减少，因而该方法的目标探测距离有限；4)、瞬态能量对消，通过在回波信号后向散射主峰上叠加一个高速反向的瞬态对消电流，抑制光电探测器饱和，之后再将两信号融合，还原真实信号波形，该方法的时刻对准精度需要纳秒量级，且依赖于水体/雨雾的散射强度，系统复杂，环境适应性差，对消不准容易产生伪信号；5)、改变探测器增益，结合门控技术，通过改变光电倍增管内部某两个倍增极之间的电压，设置不同的接收增益，从而扩大回波接收范围，虽然该方法在一定程度上扩展了光电倍增管的动态范围，但实际系统中门控开启前累积的大量光电子将在门控开启后长时间泄放，对真正的目标回波产生较大的畸变影响。
发明内容
本发明的目的是解决激光雷达在水下、雨雾等强散射环境中探测目标时，光电接收器动态范围不足的问题。在脉冲激光由近及远的传播过程中，通过采用变高压调制技术，控制光电倍增管的电源电压由低到高变化，实现其增益以指数方式平滑增加，以提升回波接收的动态范围，适应水下、雨雾等强散射环境中的目标探测。
本方案是通过如下技术措施来实现的：
一种超宽动态范围激光回波接收装置，其特征是：包括有门控脉冲发生器、高压放大脉冲成形电路、高压输出电路、光电倍增管；所述门控脉冲发生器接入触发脉冲信号和+12V输入电源；门控脉冲发生器分别与高压输出电路和高压放大成形电路电连接；高压输出电路的-LV高压输出端以及-HV高压输出端均与高压放大脉冲成形电路的高压输入端电连接；高压放大脉冲成形电路的输出端与光电倍增管的电源输入端电连接。
作为本方案的优选：门控脉冲发生器包括有放大与比较模块、控制时序模块、-LV0高压源、+5V稳压源以及门控脉冲模块；-LV0高压源和+5V稳压源接入+12V输入电源；放大与比较模块接入触发脉冲信号；触发脉冲信号依次经过放大与比较模块、控制时序模块后进入门控脉冲模块；+5V稳压源分别为放大与比较模块、控制时序模块提供电源；-LV0高压源与门控脉冲模块电连接；高压输出电路与+12V输入电源电连接；门控脉冲模块与高压放大脉冲成形电路电连接。
作为本方案的优选：高压放大脉冲成形电路包括有两个N沟道MOSFET，分别为N1管和N2管以及两个P沟道MOSFET，分别为P1管和P2管；N1管和P1管的G极接入门控脉冲模块发出的脉冲信号0~-LV0，N1管和P1管的S极接入-LV0高压源；N1管的D极与P2管的G极之间串联有一个电阻器，N1管的D极先串联一个电阻器后再与一个正向二极管和一个电阻器并联后与P2管的D极连接；-LV高压输出端与P2管的D极连接；-LV高压输出端串联一个电阻器后与P2管的S极连接；-LV高压输出端串联一个电容后接地；P1管的D极串联一个电阻器后与N2管的G极连接；P1管的D极先串联一个电阻器后再与一个反向二极管和一个电阻器并联后与N2管的S极连接；-HV高压输出端与N2管的S极连接；-HV高压输出端与一个电容串联后接地；P2管的S极与N2管的D极与信号输出端连接。
一种超宽动态范围激光回波接收装置的控制方法，其特征是：包括有以下步骤：
a、在触发脉冲的激励开始的td时间内采用较低的负电压驱动光电倍增管，使其工作于低增益状态，以防止近程较强的激光回波将输出饱和，甚至烧毁器件；
b、在t1时间内采用指数增加的变高压驱动光电倍增管，使其增益指数级放大，以解决散射介质中激光回波强度随探测距离指数下降的问题，增加回波接收的动态范围；
c、在t2时间内采用最大的负高压驱动光电倍增管，使其工作于最大增益状态，以接收远处极其微弱的激光回波；最后,在超出最大探测距离后，在t3时间内恢复较低的负电压驱动，等待下一次触发脉冲的激励。
作为本方案的优选：步骤a中，在td时间内，门控脉冲发生器激励高压放大成形电路中N1管导通，P1管截止，因此N2管截止，P2管导通，输出电压为-LV，用于驱动光电倍增管，使其处于低增益状态。
作为本方案的优选：步骤b中，td时间结束后，门控脉冲发生器输出的脉冲信号由0向-LV0跳变，此时N1管截止，P1管导通，因此P2管截止，N2管导通，输出电压形成在t1时间内一个快速下降的曲线，最终输出为-HV，形成指数增加的变高压驱动光电倍增管。
作为本方案的优选：步骤c中，t2时间结束后，门控脉冲发生器输出的脉冲信号再次由-LV0向0跳变，此时N1管导通，P1管截止，因此N2管截止，P2管导通，在t3时间内输出电压由-HV变为-LV，使光电倍增管在较低的负电压下驱动。
本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于在该方案中采用门控脉冲发生器和高压放大脉冲成形电路，能实现变高压调制，使光电倍增管能够获得更大的动态范围，其实现的实现的动态范围远大于单一控制某一倍增极电压的效果。本发明所采用的变高压调制的回波接收方法，能够应对激光回波强度指数衰减的情况，采用增益能力指数放大的接收方法，能够对探测距离不同的激光回波实施最优化接收，效果优于恒定增益。
由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著地进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
图1为本发明光电倍增管变高压调制的驱动电压时序示意图。
图2为本发明的应用结构示意图。
图3位本发明的高压放大脉冲成形电路的结构示意图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图所示，本发明包括有门控脉冲发生器、高压放大脉冲成形电路、高压输出电路、光电倍增管；所述门控脉冲发生器接入触发脉冲信号和+12V输入电源；门控脉冲发生器分别与高压输出电路和高压放大成形电路电连接；高压输出电路的-LV高压输出端以及-HV高压输出端均与高压放大脉冲成形电路的高压输入端电连接；高压放大脉冲成形电路的输出端与光电倍增管的电源输入端电连接。
门控脉冲发生器包括有放大与比较模块、控制时序模块、-LV0高压源、+5V稳压源以及门控脉冲模块；-LV0高压源和+5V稳压源接入+12V输入电源；放大与比较模块接入触发脉冲信号；触发脉冲信号依次经过放大与比较模块、控制时序模块后进入门控脉冲模块；+5V稳压源分别为放大与比较模块、控制时序模块提供电源；-LV0高压源与门控脉冲模块电连接；高压输出电路与+12V输入电源电连接；门控脉冲模块与高压放大脉冲成形电路电连接。
高压放大脉冲成形电路包括有两个N沟道MOSFET，分别为N1管和N2管以及两个P沟道MOSFET，分别为P1管和P2管；N1管和P1管的G极接入门控脉冲模块发出的脉冲信号0~-LV0，N1管和P1管的S极接入-LV0高压源；N1管的D极与P2管的G极之间串联有一个电阻器，N1管的D极先串联一个电阻器后再与一个正向二极管和一个电阻器并联后与P2管的D极连接；-LV高压输出端与P2管的D极连接；-LV高压输出端串联一个电阻器后与P2管的S极连接；-LV高压输出端串联一个电容后接地；P1管的D极串联一个电阻器后与N2管的G极连接；P1管的D极先串联一个电阻器后再与一个反向二极管和一个电阻器并联后与N2管的S极连接；-HV高压输出端与N2管的S极连接；-HV高压输出端与一个电容串联后接地；P2管的S极与N2管的D极与信号输出端连接。
上述装置的控制方法包括有以下步骤：
a、在触发脉冲的激励开始的td时间内采用较低的负电压驱动光电倍增管，使其工作于低增益状态，以防止近程较强的激光回波将输出饱和，甚至烧毁器件；
b、在t1时间内采用指数增加的变高压驱动光电倍增管，使其增益指数级放大，以解决散射介质中激光回波强度随探测距离指数下降的问题，增加回波接收的动态范围；
c、在t2时间内采用最大的负高压驱动光电倍增管，使其工作于最大增益状态，以接收远处极其微弱的激光回波；最后,在超出最大探测距离后，在t3时间内恢复较低的负电压驱动，等待下一次触发脉冲的激励。
步骤a中，在td时间内，门控脉冲发生器激励高压放大成形电路中N1管导通，P1管截止，因此N2管截止，P2管导通，输出电压为-LV，用于驱动光电倍增管，使其处于低增益状态。
步骤b中，td时间结束后，门控脉冲发生器输出的脉冲信号由0向-LV0跳变，此时N1管截止，P1管导通，因此P2管截止，N2管导通，输出电压形成在t1时间内一个快速下降的曲线，最终输出为-HV，形成指数增加的变高压驱动光电倍增管。
步骤c中，t2时间结束后，门控脉冲发生器输出的脉冲信号再次由-LV0向0跳变，此时N1管导通，P1管截止，因此N2管截止，P2管导通，在t3时间内输出电压由-HV变为-LV，使光电倍增管在较低的负电压下驱动。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (7)
1.一种超宽动态范围激光回波接收装置，其特征是：包括有门控脉冲发生器、高压放大脉冲成形电路、高压输出电路、光电倍增管；所述门控脉冲发生器接入触发脉冲信号和+12V输入电源；所述门控脉冲发生器分别与高压输出电路和高压放大成形电路电连接；所述高压输出电路的-LV高压输出端以及-HV高压输出端均与高压放大脉冲成形电路的高压输入端电连接；所述高压放大脉冲成形电路的输出端与光电倍增管的电源输入端电连接。
2.根据权利要求1所述的一种超宽动态范围激光回波接收装置，其特征是：所述门控脉冲发生器包括有放大与比较模块、控制时序模块、-LV0高压源、+5V稳压源以及门控脉冲模块；所述-LV0高压源和+5V稳压源接入+12V输入电源；所述放大与比较模块接入触发脉冲信号；所述触发脉冲信号依次经过放大与比较模块、控制时序模块后进入门控脉冲模块；所述+5V稳压源分别为放大与比较模块、控制时序模块提供电源；所述-LV0高压源与门控脉冲模块电连接；所述高压输出电路与+12V输入电源电连接；所述门控脉冲模块与高压放大脉冲成形电路电连接。
3.根据权利要求1所述的一种超宽动态范围激光回波接收装置，其特征是：所述高压放大脉冲成形电路包括有两个N沟道MOSFET，分别为N1管和N2管以及两个P沟道MOSFET，分别为P1管和P2管；所述N1管和P1管的G极接入门控脉冲模块发出的脉冲信号0~-LV0，N1管和P1管的S极接入-LV0高压源；所述N1管的D极与P2管的G极之间串联有一个电阻器，N1管的D极先串联一个电阻器后再与一个正向二极管和一个电阻器并联后与P2管的D极连接；所述-LV高压输出端与P2管的D极连接；所述-LV高压输出端串联一个电阻器后与P2管的S极连接；所述-LV高压输出端串联一个电容后接地；所述P1管的D极串联一个电阻器后与N2管的G极连接；所述P1管的D极先串联一个电阻器后再与一个反向二极管和一个电阻器并联后与N2管的S极连接；所述-HV高压输出端与N2管的S极连接；所述-HV高压输出端与一个电容串联后接地；所述P2管的S极与N2管的D极与信号输出端连接。
4.一种超宽动态范围激光回波接收装置的控制方法，其特征是：包括有以下步骤：
a、在触发脉冲的激励开始的td时间内采用较低的负电压驱动光电倍增管，使其工作于低增益状态，以防止近程较强的激光回波将输出饱和，甚至烧毁器件；
b、在t1时间内采用指数增加的变高压驱动光电倍增管，使其增益指数级放大，以解决散射介质中激光回波强度随探测距离指数下降的问题，增加回波接收的动态范围；
c、在t2时间内采用最大的负高压驱动光电倍增管，使其工作于最大增益状态，以接收远处极其微弱的激光回波；最后,在超出最大探测距离后，在t3时间内恢复较低的负电压驱动，等待下一次触发脉冲的激励。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征是：所述步骤a中，在td时间内，门控脉冲发生器激励高压放大成形电路中N1管导通，P1管截止，因此N2管截止，P2管导通，输出电压为-LV，用于驱动光电倍增管，使其处于低增益状态。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征是：所述步骤b中，td时间结束后，门控脉冲发生器输出的脉冲信号由0向-LV0跳变，此时N1管截止，P1管导通，因此P2管截止，N2管导通，输出电压形成在t1时间内一个快速下降的曲线，最终输出为-HV，形成指数增加的变高压驱动光电倍增管。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征是：所述步骤c中，t2时间结束后，门控脉冲发生器输出的脉冲信号再次由-LV0向0跳变，此时N1管导通，P1管截止，因此N2管截止，P2管导通，在t3时间内输出电压由-HV变为-LV，使光电倍增管在较低的负电压下驱动。
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