CN110109148B - 一种激光雷达多通道光子计数与模拟探测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明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。

Description

一种激光雷达多通道光子计数与模拟探测装置及方法
技术领域
本发明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。
背景技术
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。
发明内容
本发明的技术解决问题是：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。
本发明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每个距离门内采样值的和给第二积累模块；
所述的第二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数据接收模块；
所述的第二积累模块用于接收数据接收模块发送的每个距离门内采样值的和，并对接收到的每个距离门内采样值的和进行累加，得到累加值序列给控制与通信模块；
所述的控制与通信模块用于接收第一积累模块发送的累加值序列和第二积累模块发送的累加值序列，并将接收到的第一积累模块发送的累加值序列和第二积累模块发送的累加值序列发送给对外接口模块。
一种激光雷达多通道光子计数与模拟探测方法，该方法的步骤包括：
(1)电源管理模块接收外部提供的+10V-+16V直流电压，为低速FPGA与时钟分配模块提供工作电压，时钟分配模块为低速FPGA模块提供低速工作时钟。低速FPGA模块正常工作后，对电源管理模块与时钟分配模块进行配置，电源管理模块配置完成后实现电压转换与分配，为模拟信号调理采集模块、光子信号整形模块、对外接口模块、低速FPGA模块、高速缓存模块和高速FPGA模块提供所需要的电压；时钟分配模块配置完成后产生并提供高速FPGA和模数转换模块(ADC)的工作时钟。
(2)模拟信号调理采集模块接收激光雷达模拟通道发送的模拟电压信号，处理后输出数字信号采样值给高速FPGA模块；光子信号整形模块接收接收激光雷达光子通道发送的光子电流信号，处理后输出LVDS电平数字脉冲信号给高速FPGA。
(3)高速FPGA模块接收模拟信号调理采集模块提供的数字信号采样值，光子信号整形模块提供的LVDS电平数字脉冲信号，还接收外接口模块提供的周期性触发信号，处理后输出激光回波累加值序列给对外接口模块。对外接口模块将接收到的累加值序列发送出去，例如给上位机。
(4)上位机对接收到的累加值序列进行进一步反演，可得到大气光学厚度、大气消光系数廓线、大气水汽分布廓线、大气粒子有效半径及谱分布等丰富、准确的激光雷达数据产品，应用于气象环保领域。
本发明相比现有技术具有如下优点：
(1)本发明采用基于FPGA芯片实现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，并行完成光子脉冲检测、计数，模拟信号采样和处理，以及系统控制。具有很高的实时性与集成度，可靠性高。更加有利于大气探测激光雷达多通道探测的应用。
(2)本发明采用了跨阻放大模块、电平比较模块、脉冲降速模块、电平转换模块级联组成的光子信号整形模块，可实现1～2ns光子脉冲的无失真放大，可灵活的配置比较电平以适应不同的探测器输出，同时通过分频降速降低了FPGA的处理压力。
(3)本发明采用多相时钟光子脉冲检测算法，提升了光子计数率，光子脉冲的前沿时刻检测精度可达到1ns，计数率高达200MCPS。
(4)本发明采用的高速FPGA芯片内部集成ARM处理器模块运行了嵌入式实时操作系统，可实现实时系统控制，便于后续系统升级与功能提升。
(5)本发明探测系统适用于机载、舰载、车载和一般的地面大气激光雷达系统，同样可以适用于其它微弱电信号高速高精度采集与处理场合。
(6)一种激光雷达多通道光子计数与模拟探测装置，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模块组成。本发明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。
附图说明
图1为本发明的装置组成示意图。
具体实施方式
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每个距离门内采样值的和给第二积累模块；
所述的第二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数据接收模块；
所述的第二积累模块用于接收数据接收模块发送的每个距离门内采样值的和，并对接收到的每个距离门内采样值的和进行累加，得到累加值序列给控制与通信模块；
所述的控制与通信模块用于接收第一积累模块发送的累加值序列和第二积累模块发送的累加值序列，并将接收到的第一积累模块发送的累加值序列和第二积累模块发送的累加值序列发送给对外接口模块。
一种激光雷达多通道光子计数与模拟探测方法，该方法的步骤包括：
(1)电源管理模块接收外部提供的+10V-+16V直流电压，为低速FPGA与时钟分配模块提供工作电压，时钟分配模块为低速FPGA模块提供低速工作时钟。低速FPGA模块正常工作后，对电源管理模块与时钟分配模块进行配置，电源管理模块配置完成后实现电压转换与分配，为模拟信号调理采集模块、光子信号整形模块、对外接口模块、低速FPGA模块、高速缓存模块和高速FPGA模块提供所需要的电压；时钟分配模块配置完成后产生并提供高速FPGA和模数转换模块(ADC)的工作时钟。
(2)模拟信号调理采集模块接收激光雷达模拟通道发送的模拟电压信号，处理后输出数字信号采样值给高速FPGA模块；光子信号整形模块接收接收激光雷达光子通道发送的光子电流信号，处理后输出LVDS电平数字脉冲信号给高速FPGA。
(3)高速FPGA模块接收模拟信号调理采集模块提供的数字信号采样值，光子信号整形模块提供的LVDS电平数字脉冲信号，还接收外接口模块提供的周期性触发信号，处理后输出激光回波累加值序列给对外接口模块。对外接口模块将接收到的累加值序列发送出去，例如给上位机。
(4)上位机对接收到的累加值序列进行进一步反演，可得到大气光学厚度、大气消光系数廓线、大气水汽分布廓线、大气粒子有效半径及谱分布等丰富、准确的激光雷达数据产品，应用于气象环保领域。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
实施例
如图1所示，本实施例提供了一种激光雷达多通道光子计数与模拟探测装置，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。
本实施例的时钟分配模块集成了三种时钟源频率，分别为1GHz、60MHz以及33.333MHz，慢速时钟源60MHz接入低速FPGA模块，系统上电后，低速FPGA模块使用该时钟控制板卡电源芯片上电顺序，并通过SPI总线配置时钟分配芯片LMK010内部寄存器，使时钟芯片在正确的模式下工作。33.333MHz是高速FPGA内部ARM处理器的参考时钟，连接芯片专用管脚，用于产生ARM的工作时钟。1GHz晶振产生的高速LVDS时钟源通过时钟分配芯片分频后产生高速FPGA、ADC正常工作所需的各频率时钟。
本实施例的电源管理模块接收外部提供的+10V-+16V直流电压，由于模拟信号调理采集模块、光子信号整形模块对电源的纹波有极高的要求，采用开关模块电源(DC-DC)后接线性稳压电源(LDO)的方式实现,开关电源选用LINEAR公司的LTM8025将输入电源换为+5.5V和-5.5V，后分别接LINEAR公司的LDO LT3029和LT3015将电压转换为放大器和比较器工作需要的+5V和-5V。为模拟信号调理采集模块、光子信号整形模块供电。板卡上低速FPGA模块负责控制板卡的上电顺序，所以低速FPGA模块采用了独立的供电途径，选用开关电源模块LTM4618将12V转为3.3V,作为CPLD的IO电源，同时使用线性稳压电源TPS74401将3.3V转为1.8V作为低速FPGA模块的内核电源使用。高速FPGA的供电电源有1.0V、1.5V、1.8V和3.3V4种，采用开关模块电源LTM4644产生以上4种电源，低速FPGA模块通过电源模块的使能端(EN)和加电成功信号(PGOOD)控制加电顺序。
本实施例的对外接口模块采用TLP521光耦隔离芯片接收外部提供周期性触发信号，并发送给高速FPGA；还使用千兆以太网接口芯片88E1512实现双向千兆网络接口，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给上位机。
本实施例的模拟信号调理采集模块包括2个模拟采集子通道，每个模拟采集子通道中，第一数模转换模块(DAC)选用双通道，12bits串行控制的DAC7612芯片、宽带可调增益差分放大器选择低噪声、电压控制型放大器AD603，模数转换模块(ADC)选用双通道16bits模数转换器LTC2201；宽带可调增益差分放大器AD603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)LTC2201；放大时的电压放大倍数根据AD603接收到的第一数模转换模块DAC7612发送的增益控制电压信号进行确定，增益调节范围为-11dB至+31dB；模数转换模块(ADC)LTC2201用于接收宽带可调增益差分放大器AD603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，ADC的工作采样率为20MSPS，采样精度16位。
本实施例的光子信号整形模块包括8个整形通道子模块，每个整形通道子模块中，跨阻放大模块选择宽带低噪声运算放大器AD847，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，电流-电压转换增益为2000V/A。电平比较模块中高速比较器选择ADCMP565，第二数模转换模块(DAC)选用四通道，12bits串行控制的DAC7614芯片，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，DAC7614为高速比较器ADCMP565提供门限判决电压信号。脉冲降速模块选用高速分频芯片SY100EL32V，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。电平转换模块选用SN65LVDS20芯片，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。
本实施例的高速FPGA模块选用Xilinx公司的Zynq-7000系列中z-7030芯片，内部实现光子脉冲检测计数模块、数据采集积累模块和控制与通信模块。
光子检测模块接收电平转换模块发送的8路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；其中，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。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，并接收第一距离门产生模块发送的距离门控制信号，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；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，积累次数达到预设的60000次后，得到累加值序列给控制与通信模块，其中，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，距离门门宽为200ns，距离门个数为2000个。
数据接收模块接收模数转换模块(ADC)发送的2通道数字信号采样值，并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每个距离门内采样值的和给第二积累模块；其中，第二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数据接收模块，距离门门宽为200ns，距离门个数为2000个。第二积累模块接收数据接收模块发送的每个距离门内采样值的和后，对接收到的每个距离门内采样值的和进行累加，积累次数达到预设的60000次后，得到累加值序列给控制与通信模块。
待积累次数达到预设值后，FPGA内部ARM处理器通过存储器共享的方式读出光子计数通道与模拟采集通道回波数据并按通讯协议组帧，采用TCP/IP协议，控制千兆以太网接口芯片，将回波数据输出给外部显示、存储设备。
控制与通信模块利用FPGA内部ARM处理器，通过存储器共享的方式读出第一积累模块发送的6通道的光子累加值序列和第二积累模块发送的2通道模拟采样累加值序列，并按通讯协议组帧，采用TCP/IP协议，控制对外接口模块中千兆以太网接口芯片，将数据输出给外部显示、存储设备。
本发明已应用于一台车载多波长拉曼偏振大气探测激光雷达设备中，该激光雷达可发射紫外波段355nm、可见波段532nm及近红外波段1064nm的三波长激光，回波通道包括355nm平行、355nm垂直、532nm平行、532nm垂直、1064nm 5个弹性散射通道，以及386nm、407nm、607nm 3个拉曼散射通道。其中，355nm平行、355nm垂直、532nm平行、532nm垂直、386nm、407nm、607nm 7个通道采用PMT探测器进行光电转换，光子计数探测；1064nm通道采用APD探测器进行光电转换，模拟采集探测，本发明多通道光子计数与模拟探测装置同时对7通道PMT探测器输出的光子信号进行放大、甄别处理，对1通道APD探测器输出的模拟电压信号进行放大、高速采集与处理。获取激光雷达后向散射回波强度，进一步反演可得到大气光学厚度、大气消光系数廓线、大气水汽分布廓线、大气粒子有效半径及谱分布等丰富、准确的激光雷达数据产品。满足大气探测激光雷达的应用需求。

Claims (9)

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。
5.根据权利要求4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：所述的数据接收模块用于接收模数转换模块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每个距离门内采样值的和给第二积累模块；
所述的第二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数据接收模块；
所述的第二积累模块用于接收数据接收模块发送的每个距离门内采样值的和，并对接收到的每个距离门内采样值的和进行累加，得到累加值序列给控制与通信模块；
所述的控制与通信模块用于接收第一积累模块发送的累加值序列和第二积累模块发送的累加值序列，并将接收到的第一积累模块发送的累加值序列和第二积累模块发送的累加值序列发送给对外接口模块。
6.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：所述的电源管理模块接收外部提供的直流电压为+10V-+16V。
7.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：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度四个相位的250MHz时钟，利用这四个相位的时钟同时对光子脉冲采样，同一采样时刻产生四位采样码，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。
8.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：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发送的增益控制电压信号进行确定。
9.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：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发送的门限判决电压信号进行确定。
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111596183A (zh) * 2020-06-11 2020-08-28 合肥工业大学 多通道增益可控的光电检测系统及其方法
CN111721411B (zh) * 2020-06-30 2021-06-04 北京工业大学 一种用于高时空分辨光子计数成像的信号处理电路
CN112558109A (zh) * 2020-12-07 2021-03-26 北京遥测技术研究所 一种机载多波长拉曼偏振大气探测激光雷达系统
CN112505726A (zh) * 2020-12-07 2021-03-16 北京遥测技术研究所 一种机载多通道气溶胶-云粒子激光雷达系统
CN115128625A (zh) * 2021-03-29 2022-09-30 宁波飞芯电子科技有限公司 一种激光雷达测距方法及探测系统
WO2022206293A1 (zh) * 2021-03-29 2022-10-06 宁波飞芯电子科技有限公司 一种激光雷达测距方法及探测系统
CN114238248A (zh) * 2021-11-30 2022-03-25 桂林理工大学 多通道测水激光雷达高速数据实时采集及存储系统
CN115032641B (zh) * 2022-05-10 2023-05-26 中国科学院合肥物质科学研究院 一种基于zynq的星载高重频激光雷达光子计数系统

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006037248A1 (en) * 2004-10-05 2006-04-13 Tecan Trading Ag Combining photon counting and analog detection
CN101866007A (zh) * 2010-06-25 2010-10-20 北京理工大学 大气多参数探测激光雷达的信号采集处理系统
CN102043144A (zh) * 2010-10-22 2011-05-04 中国科学院上海光学精密机械研究所 全光纤相干测风多普勒激光雷达信号处理装置
JP2012037267A (ja) * 2010-08-04 2012-02-23 Hitachi High-Technologies Corp 光量検出方法及びその装置
CN102854514A (zh) * 2012-09-21 2013-01-02 武汉大学 一种近场同轴双视场米散射大气激光雷达
CN106788739A (zh) * 2017-01-23 2017-05-31 中国人民解放军理工大学 基于光子计数的无线光通信接收装置及光信号检测方法
CN107167251A (zh) * 2017-07-28 2017-09-15 浙江九州量子信息技术股份有限公司 一种基于高频正弦门脉冲模式的单光子探测器
CN107193015A (zh) * 2017-05-09 2017-09-22 盐城师范学院 基于f‑p标准具的紫外三频高光谱分辨率激光雷达系统及其探测方法
CN109238462A (zh) * 2018-09-10 2019-01-18 湖北京邦科技有限公司 一种光子探测方法及装置

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101871361B1 (ko) * 2011-11-01 2018-08-03 삼성전자주식회사 고해상도 및 고대조도 영상을 동시에 생성하기 위한 광자 계수 검출 장치 및 방법
CN102579012A (zh) * 2012-03-15 2012-07-18 天津大学 基于锁相光子计数测量的动态荧光-光学乳腺断层成像装置

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006037248A1 (en) * 2004-10-05 2006-04-13 Tecan Trading Ag Combining photon counting and analog detection
CN101866007A (zh) * 2010-06-25 2010-10-20 北京理工大学 大气多参数探测激光雷达的信号采集处理系统
JP2012037267A (ja) * 2010-08-04 2012-02-23 Hitachi High-Technologies Corp 光量検出方法及びその装置
CN102043144A (zh) * 2010-10-22 2011-05-04 中国科学院上海光学精密机械研究所 全光纤相干测风多普勒激光雷达信号处理装置
CN102854514A (zh) * 2012-09-21 2013-01-02 武汉大学 一种近场同轴双视场米散射大气激光雷达
CN106788739A (zh) * 2017-01-23 2017-05-31 中国人民解放军理工大学 基于光子计数的无线光通信接收装置及光信号检测方法
CN107193015A (zh) * 2017-05-09 2017-09-22 盐城师范学院 基于f‑p标准具的紫外三频高光谱分辨率激光雷达系统及其探测方法
CN107167251A (zh) * 2017-07-28 2017-09-15 浙江九州量子信息技术股份有限公司 一种基于高频正弦门脉冲模式的单光子探测器
CN109238462A (zh) * 2018-09-10 2019-01-18 湖北京邦科技有限公司 一种光子探测方法及装置

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Calibration of an Airborne Single-Photon Lidar System With a Wedge Scanner;Zhigang Pan等;《 IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters》;20170711;第14卷(第8期);全文 *
四通道并行解复用光子模数转换系统设计和实现;原野等;《光通信技术》;20180630(第6期);全文 *
模拟与光子计数融合的激光雷达信号采集系统设计;付毅宾等;《中国激光》;20150831;第42卷(第8期);说明书第0001、0008-0009段 *
高时空分辨率多普勒测风激光雷达系统研究;张飞飞;《中国博士学位论文全文数据库 基础科学辑》;20150915;全文 *

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