CN112859035B - 一种高动态范围多卫星兼容有源激光探测器 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光探测技术领域，公开了一种高动态范围多卫星兼容有源激光探测器，包括：MCU模块、偏置电压模块、光电转换模块、增益调整模块、放大模块；MCU模块用于获取设置信息，根据设置信息输出参考电压至偏置电压模块，输出增益控制信号至增益调整模块；偏置电压模块用于根据参考电压输出偏置电压至光电转换模块，以调节光电转换模块输出信号的动态范围；增益调整模块用于根据增益控制信号调节放大模块的放大倍数。本发明使得有源激光探测器具有极高的动态范围，能够兼容不同卫星不同的地面激光脚点能量。

Description

一种高动态范围多卫星兼容有源激光探测器

技术领域

本发明属于激光探测技术领域，更具体地，涉及一种高动态范围多卫星兼容有源激光探测器。

背景技术

现有的激光测高仪有源探测器存在以下几个问题：(1)动态范围小：面对不同激光能量的卫星需要手动调整灵敏度档位，在实际实验过程调整档位中需要花费大量的时间。(2)线性性差：由于探测器未加校准，所获取的能级数据不准，导致光斑中心定位不准。(3)能级数过少：以往探测器能级数只有几级或者十几级，无法满足大动态范围探测任务的需求。(4)缺乏数据存储装置：以往的探测器断电后数据就会丢失，无法保证探测数据的安全性。因此，亟待提出一种新的激光探测器以解决上述问题。

发明内容

本发明通过提供一种高动态范围多卫星兼容有源激光探测器，解决现有技术中激光探测器的动态范围较小的问题。

本发明提供一种高动态范围多卫星兼容有源激光探测器，包括：MCU模块、偏置电压模块、光电转换模块、增益调整模块、放大模块；

所述MCU模块分别与所述偏置电压模块、所述增益调整模块连接；所述偏置电压模块的输出端与所述光电转换模块的输入端连接，所述光电转换模块的输出端、所述增益调整模块的输出端分别与所述放大模块的输入端连接；

所述MCU模块用于获取设置信息，根据所述设置信息输出参考电压至所述偏置电压模块，根据所述设置信息输出增益控制信号至所述增益调整模块；

所述偏置电压模块用于根据所述参考电压输出偏置电压至所述光电转换模块，以调节所述光电转换模块输出信号的动态范围；

所述增益调整模块用于根据所述增益控制信号调节所述放大模块的放大倍数。

优选的，所述高动态范围多卫星兼容有源激光探测器还包括：能量校准模块；

所述能量校准模块分别与所述MCU模块、所述光电转换模块连接；

所述MCU模块用于输出校准信号至所述能量校准模块；

所述能量校准模块用于根据所述校准信号调节电流源的电流大小，以补偿所述光电转换模块和所述放大模块的非线性性。

优选的，所述高动态范围多卫星兼容有源激光探测器还包括：AD采样模块、峰值检波模块、能量释放模块；

所述MCU模块分别与所述AD采样模块、所述能量释放模块连接；所述峰值检波模块分别与所述AD采样模块、所述能量释放模块、所述放大模块连接；

所述MCU模块用于输出采样开始信号至所述AD采样模块，输出采样结束信号至所述能量释放模块；

所述峰值检波模块用于接收来自所述放大模块的电压信号，并保持电压峰值；

所述AD采样模块用于在接收所述采样开始信号后，将所述峰值检波模块的电压峰值进行能量等级划分得到能级信息，并将所述能级信息输入至所述MCU模块中；

所述能量释放模块用于在接收所述采样结束信号后，将所述峰值检波模块的峰值电平拉低到初始电平以释放所述峰值检波模块的电压峰值。

优选的，所述高动态范围多卫星兼容有源激光探测器还包括：信号检测模块；

所述信号检测模块分别与所述MCU模块、所述峰值检波模块连接；

所述信号检测模块用于判定所述峰值检波模块中的电压信号为激光电压信号或背景噪声信号；若判断为激光电压信号，则输出一个触发信号至所述MCU模块，所述MCU模块根据所述触发信号发送所述采样开始信号至所述AD采样模块；若判定为背景噪声信号，则所述信号检测模块对所述背景噪声信号进行滤除。

优选的，所述高动态范围多卫星兼容有源激光探测器还包括：数据存储模块、显示模块、通信模块；

所述数据存储模块、所述显示模块、所述通信模块分别与所述MCU模块连接；

所述数据存储模块用于存储探测器信息，所述显示模块用于显示所述探测器信息，所述通信模块用于将所述探测器信息传输至上位机。

优选的，所述高动态范围多卫星兼容有源激光探测器还包括：电量检测模块、GPS模块；

所述电量检测模块、所述GPS模块分别与所述MCU模块连接；

所述电量检测模块用于获得探测器的电量信息，所述GPS模块用于将GPS数据输入至所述数据储存模块。

优选的，所述偏置电压模块包括：正反馈振荡电路、高频变压器模块、高频整流器模块、电压采样模块和负反馈调节模块；

所述正反馈振荡电路、所述高频变压器模块、所述高频整流器模块依次连接，所述高频整流器模块分别与所述电压采样模块、所述负反馈调节模块连接，所述电压采样模块与所述负反馈调节模块连接；

所述正反馈震荡电路用于将来自系统电源的原始输入电压震荡为正弦交流电压，所述高频变压器模块和所述整流器模块用于将正弦交流电压转换为高于所述原始输入电压的第一电压，所述电压采样模块和所述负反馈调模块用于对所述第一电压进行调节，输出与所述参考电压成一定比例关系的偏置电压。

优选的，所述增益调整模块包括：第一数字电位器、反馈电阻；所述放大模块包括：第一放大器、第二放大器和滤波电路；

所述第一放大器、所述滤波电路、所述第二放大器依次连接；所述反馈电阻分别与所述第一放大器、所述滤波电路、所述第一数字电位器连接；

通过调节所述第一数字电位器的阻值改变所述放大模块的放大倍数。

优选的，所述能量校准模块包括：第二数字电位器、电流源芯片；

所述电流源芯片用于模拟所述光电转换模块输出的光电流；

通过调节所述第二数字电位器的阻值改变所述电流源芯片输出的光电流的大小。

优选的，所述峰值检波模块包括：跨导芯片、高速二极管和聚丙乙烯电容；所述能量释放模块包括：高速MOS管和限流电阻；

所述峰值检波模块通过所述高速MOS管和所述限流电阻接地；

所述跨导芯片用于缓冲峰值保持信号和所述放大模块输出的初始电压信号，防止峰值保持信号电流倒灌；所述高速MOS管用于截止反向电压保持峰值；

所述AD采样模块的采样速率大于等于1Mhz，采样位数大于等于12位。

本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

在发明中，通过MCU模块获取设置信息，根据设置信息输出参考电压至偏置电压模块，根据设置信息输出增益控制信号至增益调整模块；偏置电压模块根据参考电压输出偏置电压至光电转换模块，以调节光电转换模块输出信号的动态范围；增益调整模块根据增益控制信号调节放大模块的放大倍数。本发明通过设置偏置电压模块，使得有源激光探测器具有极高的动态范围，能够兼容不同卫星不同的地面激光脚点能量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种高动态范围多卫星兼容有源激光探测器的框架示意图；

图2为本发明实施例提供的一种高动态范围多卫星兼容有源激光探测器中偏置电压模块的工作原理图；

图3为本发明实施例提供的一种高动态范围多卫星兼容有源激光探测器中增益调整模块和放大模块的工作原理图；

图4为本发明实施例提供的一种高动态范围多卫星兼容有源激光探测器中峰值检波模块和能量释放模块的工作原理图；

图5为利用本发明实施例提供的一种高动态范围多卫星兼容有源激光探测器实现能量校准的示意图；

图6为本发明实施例提供的一种高动态范围多卫星兼容有源激光探测器中能量校准模块的工作原理图；

图7为本发明实施例提供的一种高动态范围多卫星兼容有源激光探测器的工作流程图；

图8为本发明实施例提供的一种高动态范围多卫星兼容有源激光探测器中数字电位器的阻值与电流源芯片输出的电流的关系图；

图9为探测器兼容多卫星的原理示意图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例1：

实施例1提供了一种高动态范围多卫星兼容有源激光探测器，包括：MCU模块、偏置电压模块、光电转换模块、增益调整模块、放大模块。

所述MCU模块分别与所述偏置电压模块、所述增益调整模块连接；所述偏置电压模块的输出端与所述光电转换模块的输入端连接，所述光电转换模块的输出端、所述增益调整模块的输出端分别与所述放大模块的输入端连接。

所述MCU模块用于获取设置信息，根据所述设置信息输出参考电压至所述偏置电压模块，根据所述设置信息输出增益控制信号至所述增益调整模块；所述偏置电压模块用于根据所述参考电压输出偏置电压至所述光电转换模块，以调节所述光电转换模块输出信号的动态范围；所述增益调整模块用于根据所述增益控制信号调节所述放大模块的放大倍数。

实施例1通过设置偏置电压模块，使得有源激光探测器具有极高的动态范围，能够兼容不同卫星不同的地面激光脚点能量。通过设置偏置电压模块、光电转换模块，使得有源激光探测器具备连续探测能力。

一种具体的实施方式中，所述偏置电压模块包括：正反馈振荡电路、高频变压器模块、高频整流器模块、电压采样模块和负反馈调节模块。所述正反馈振荡电路、所述高频变压器模块、所述高频整流器模块依次连接，所述高频整流器模块分别与所述电压采样模块、所述负反馈调节模块连接，所述电压采样模块与所述负反馈调节模块连接。所述正反馈震荡电路用于将来自系统电源的原始输入电压震荡为正弦交流电压，所述高频变压器模块和所述整流器模块用于将正弦交流电压转换为高于所述原始输入电压的第一电压，所述电压采样模块和所述负反馈调模块用于对所述第一电压进行调节，输出与所述参考电压成一定比例关系的偏置电压。

一种具体的实施方式中，所述增益调整模块包括：第一数字电位器、反馈电阻；所述放大模块包括：第一放大器、第二放大器和滤波电路。所述第一放大器、所述滤波电路、所述第二放大器依次连接；所述反馈电阻分别与所述第一放大器、所述滤波电路、所述第一数字电位器连接。通过调节所述第一数字电位器的阻值改变所述放大模块的放大倍数。

实施例2：

在实施例1的基础上，增加能量校准模块构成实施例2。

所述能量校准模块分别与所述MCU模块、所述光电转换模块连接。所述MCU模块用于输出校准信号至所述能量校准模块；所述能量校准模块用于根据所述校准信号调节电流源的电流大小，以补偿所述光电转换模块和所述放大模块的非线性性。

实施例2通过设置能量校准模块，使得有源激光探测器在整个动态范围内保持较高的线性性，能够保证整个动态范围内数据的可信性。

一种具体的实施方式中，所述能量校准模块包括：第二数字电位器、电流源芯片。所述电流源芯片用于模拟所述光电转换模块输出的光电流。通过调节所述第二数字电位器的阻值改变所述电流源芯片输出的光电流的大小。

实施例3：

在实施例1或实施例2的基础上，增加AD采样模块、峰值检波模块、能量释放模块构成实施例3。

所述MCU模块分别与所述AD采样模块、所述能量释放模块连接；所述峰值检波模块分别与所述AD采样模块、所述能量释放模块、所述放大模块连接。所述MCU模块用于输出采样开始信号至所述AD采样模块，输出采样结束信号至所述能量释放模块；所述峰值检波模块用于接收来自所述放大模块的电压信号，并保持电压峰值；所述AD采样模块用于在接收所述采样开始信号后，将所述峰值检波模块的电压峰值进行能量等级划分得到能级信息，并将所述能级信息输入至所述MCU模块中；所述能量释放模块用于在接收所述采样结束信号后，将所述峰值检波模块的峰值电平拉低到初始电平以释放所述峰值检波模块的电压峰值。

实施例3通过设置AD采样模块，实现更精细的能量等级划分，能够保证在整个探测动态范围内均能识别到能量等级的变化。

一种具体的实施方式中，所述峰值检波模块包括：跨导芯片、高速二极管和聚丙乙烯电容；所述能量释放模块包括：高速MOS管和限流电阻。所述峰值检波模块通过所述高速MOS管和所述限流电阻接地。所述跨导芯片用于缓冲峰值保持信号和所述放大模块输出的初始电压信号，防止峰值保持信号电流倒灌；所述高速MOS管用于截止反向电压保持峰值。所述AD采样模块的采样速率大于等于1Mhz，采样位数大于等于12位。

实施例3还可添加信号检测模块。

所述信号检测模块分别与所述MCU模块、所述峰值检波模块连接。所述信号检测模块用于判定所述峰值检波模块中的电压信号为激光电压信号或背景噪声信号；若判断为激光电压信号，则输出一个触发信号至所述MCU模块，所述MCU模块根据所述触发信号发送所述采样开始信号至所述AD采样模块；若判定为背景噪声信号，则所述信号检测模块对所述背景噪声信号进行滤除。

实施例4：

在上述实施例的基础上，增加数据存储模块、显示模块、通信模块构成实施例4。

所述数据存储模块、所述显示模块、所述通信模块分别与所述MCU模块连接。所述数据存储模块用于存储探测器信息，所述显示模块用于显示所述探测器信息，所述通信模块用于将所述探测器信息传输至上位机。

实施例4通过设置数据存储模块，将不同的卫星搭载的激光测高仪地面脚点能量数据进行储存，并能够随时调用。通过设置显示模块使得有源激光探测器具备人机交互功能，通过设置通信模块使得有源激光探测器能与上位机进行通信。

实施例4还可添加电量检测模块、GPS模块。

所述电量检测模块、所述GPS模块分别与所述MCU模块连接。所述电量检测模块用于获得探测器的电量信息，所述GPS模块用于将GPS数据输入至所述数据储存模块。

下面结合图1对各模块做进一步的说明。

(1)光电转换模块。

具有动态范围连续可调的光电转换模块，能够响应激光脉冲能量并将其输出为电脉冲。

光电转换模块输出的信号电压的动态范围可以随着偏置电压升高而加大，在兼容的卫星激光能量相差过大时，可以提高偏置电压模块输出的电压来加大探测器的动态范围，防止丢失某个卫星的信号，反之在兼容的卫星激光能量相差较小时，或者用于单卫星探测时，可以降低偏置电压模块输出的电压来减小探测器的动态范围，避免探测动态范围和能级的浪费。

由地面激光斑能量较小，激光脉冲脉宽较窄，所以光电转换器件必须具有高带宽，响应速度快，灵敏度高等特点，所以该探测器选用响应速度快，高带宽，低成本，温度特性好的光电二极管作为光电转换模块。

优选的方案中，光电转换模块采用快速响应的光电二极管，其输出电流的动态范围随偏置电压的增大而升高。

(2)偏置电压模块。

输出电压可调的偏置电压模块，其输出电压连续可调。

偏置电压模块由正反馈振荡电路、高频变压器模块、高频整流器模块、电压采样模块、负反馈模块组成，其工作原理为：正反馈振荡电路将原始输入电压振荡为高频正弦交流电压，然后通过高频变压器模块和整流器模块将高频正弦交流电压转换为高于原始输入电压的高压，然后通过电压采样模块和负反馈调模块的调节，最终输出和参考电压成一定比例关系的偏置电压，就能通过改变参考电压的大小改变光电转换模块的偏置电压，进而改变光电转换模块输出电压的动态范围，具体过程如图2所示。

光电转换模块的动态范围随偏置电压的升高而增大，所以可以通过改变偏置电压的大小来改变光电转换模块的灵敏度。

优选的方案中，正反馈振荡器由两个晶体管级联而成，高频变压器的工作频率为振荡器震荡频率，高频整流电路为陶瓷电容和高频二极管构成的全桥整流电路。

(3)增益调整模块和放大模块。

增益调整模块和放大模块用于调整放大倍数。

放大模块由第一放大器(即放大器1)、第二放大器(即放大器2)和滤波电路组成，在放大信号的同时可以滤除背景光噪声；增益调整模块由第一数字电位器和反馈电阻组成，放大器的放大倍数主要由反馈电阻的阻值和数字电位器的阻值之比决定，通过改变第一数字电位器的阻值便可改变放大模块的放大倍数，具体过程如图3所示。

在星载激光测高仪能量较大时，提高第一数字电位器的阻值可降低放大电路的放大倍数，防止放大器饱和；同理在在星载激光测高仪能量较小时，减小第一数字电位器的阻值可提高放大电路的放大倍数，防止信号幅值不足。

优选的方案中，增益调整模块的最大可调电阻到最小可调电阻之间共有1024个等级，则一共可以设置1024的放大倍数。

放大模块由两个高速放大器级联而成，高速放大器的带宽和光电转换模块的带宽相匹配。

(4)信号检测模块。

信号检测模块用于防止背景光误触发和检测信号到来时刻。

在天空背景中除了激光信号还充斥着大量的环境光噪声，如果不对这些噪声加以限制，探测器就会采集到大量无用的噪声信号，信号检测模块主要包括高速比较器，通过设置阈值电平的方式滤除背景光噪声，同时在真正的激光信号到来时输出一个触发电平控制AD采样模块开始采样。

优选的方案中，信号检测模块由一个高速比较器和参考电压芯片组成，参考电压作为比较器输入的负极，激光电压信号为比较器输入的正极，当激光电压信号大于参考电压时比较器输出一个正脉冲作为激光能量的到来信号。

(5)峰值检波和能量释放模块。

能够用于保持电压峰值的峰值检波模块和快速释放电压峰值的能量释放模块。

AD采样模块能够将脉冲电压转换为直流电平，因为AD采样模块采样需要一定的时间，而激光脉冲的脉宽往往很窄，通常AD采样模块无法在一个脉冲周期内完成采样，所以需要峰值检波模块电压脉冲峰值进行保存，在AD采样完成后，电路自身完成能量释放即从峰值电压回归初始电压需要很长的时间，如果星载机载激光测高仪激光频率很高，则在下一次脉冲到来时探测器有可能还没有完成能量释放的过程，无法进行正常探测，这种情况下需要能量释放模块对电压能量进行释放，具体过程如图4所示。

当AD采样完成后AD采样模块将能级输入至MCU模块中，同时MCU模块向能量释放模块输出采样完成信号，随即能量释放模块将峰值检波模块的峰值电平拉低到初始电平(地)，同时准备开始下一次探测。即能量释放模块快速释放掉峰值检波模块保存的电压，同时准备下一次探测。

优选的方案中，峰值检波模块采用跨导芯片、高速二极管和聚丙乙烯电容组成，跨导芯片由于缓冲放大模块输出的初始电压信号和峰值保持信号，防止峰值保持信号电流倒灌，影响能级探测器，高速二极管用于截止反向电压保持峰值，聚丙乙烯电容漏电小，最适合作为峰值检波电路的电容。

能量释放模块由高速MOS管和限流电阻组成，峰值检波模块通过高速MOS管和限流电阻接地，高速MOS管在没有能量释放信号时导通电阻为G欧姆能级，可视为短路，对峰值检波模块没有影响；当能量释放信号到来时，高速MOS管的导通电阻m欧姆量级，可视为短路，为防止电路直接短接地，必须要加上保护电阻。

(6)AD采样模块。

能够进行能量细分的AD采样模块。

AD采样模块能够细分整个动态范围内的能级，对于某一颗卫星的能量来说，有可能只占整个动态范围的10％不到，如果可用于量化的能级过少，会导致探测器无法在一次探测中表示激光能量的阶梯分布，以至于无法定位光斑中心，所以AD采样的能级要足够多，保证在任意一段能量区间均能够完成划分激光能量等级的功能。

AD采样模块将峰值检波模块保存的电压峰值进行能量等级划分，划分的等级越多，光斑中心提取就越准确，如果划分的能级过少，会导致探测器无法在一次探测中表示激光能量的阶梯分布，以至于无法定位光斑中心，所以AD采样的能级要足够多，保证在任意一段能量区间的能级数不得少于10个。

优选的方案中，AD采样模块的采样速率不得低于1Mhz，采样位数不得低于12位。

(7)能量校准模块。

用于进行探测能量校准的能量校准模块。

能量校准模块能够补偿光电转换模块和放大模块由于负载效应导致的非线性性。光电转换模块和放大模块在实际使用中用于负载效应的影响，导致其输出的电压和入射的激光能量不成正比，如图5所示。

在以往的应用中默认响应曲线为线性曲线(即图5中的理想响应曲线)，但实际情况不是，本发明需要得到的是实际响应的曲线(即图5中的实线)的数据，即需要将理想响应曲线(图5中的虚线)校准为实际响应曲线(获得实际曲线的离散数据)。

如果不加以校准会导致根据能级计算所得到的能量低于实际入射的激光能量，所以需要使用能量校准模块进行校准。能量校准模块由第二数字电位器和电流源芯片组成，如图6所示。

采用电流源芯片模拟光电转换模块输出的光电流，通过改变MCU模块输出的控制信号改变第二数字电位器的阻值，从而可以任意改变电流源电流的大小。校准过程：通过MCU模块改变第二数字电位器的阻值，使电流源输出的电流从小增大，同时MCU模块记录AD采样模块的中的值，从而可以得到每一个AD采样的值对应的电流值，这个值就是真实的激光能量照射到光电转换模块后产生的电流值，完成校准。

光电转换模块和放大模块在实际使用中用于负载效应的影响，导致其输出的电压和入射的激光能量不成正比，能量校准模块通过建立AD采样值和电流源输出电流的一一对应的关系，比如当电流大小为I0～Ix时，AD采样模块的采样值为L0～Lx，这样就可以通过查表的方式找出某一次探测时探测器探测到的能级实际对应的光电流，进而通过光电流大小与激光能量的关系便可计算出真实的激光能量。

优选的方案中，能量校准模块用于模拟激光照射在光敏器件上产生光电流的过程，第二数字电位器共有1024级电阻，一共可以产生1024级电流源，同时生成1024级能量校准数据。

(8)数据存储模块。

能够储存关键数据的数据存储模块。

数据存储模块由EEPROM存储器和Flash存储器两个部分组成，EEPROM存储器用于存储探测器响应到的能级、响应能级的时间和经纬度以及探测器的工作模式(偏置电压的大小、放大模块的增益)，Flash模块用于存储能量校准模块的校准数据(每一个能级对应的真实的激光能量)，其中EEPROM模块会存储每一次外场试验的探测器数据直到存满；Flash模块会在探测器每次重新校准时重新读取校准数据同时覆盖上一次校准数据。

(9)显示模块和通信模块。

用于进行人机交互的显示模块和通信模块。

显示模块可以显示探测器中所有信息(能级、GPS数据、电量、校准数据、探测器自身状态)，方便外场实验室工作人员读取；通信模块可以将上述所有数据传输至上位机，方便数据的保护和归档。

优选的方案中，显示模块选用128*32分辨率的OLED显示器。通信模块选用LORA芯片作为通信芯片；选用弹簧天线作为发射和接收天线。

(10)MCU模块和电量检测模块。

MCU模块为主控芯片，电量检测模块用于监测探测器自身电量。

优选的方案中，MCU模块选用国产的GD系列的单片机，最高主频为108MHz，功耗低价格低廉。

本发明提供的一种高动态范围多卫星兼容有源激光探测器的工作过程如图7所示，主要包括以下部分：

(1)根据待测卫星的地面激光脚点能量设置合适的探测器动态范围和灵敏度。

所述设置灵敏度的方法为：首先根据不同的星载激光测高仪的参数确定光电转换模块的最佳动态范围，然后根据光电转换模块的偏置电压和输出关系的关系计算得到最佳的偏置电压，并通过MCU模块进行设置，若需要较高的动态范围则MCU模块输出较高的参考电压；若需要较低的动态范围则MCU模块输出较低的参考电压；再根据地面激光脚点中心能量和边缘能量的差值以及实验当天的大气条件选择最佳的放大器放大倍数，同样也通过MCU模块和增益调整模块来设置，设置方式如图2所示，若需要较大的放大倍数则MCU模块将数字电位器的阻值变小；若需要较小的放大倍数则MCU模块将数字电位器的阻值变大。

若需要兼容多颗卫星或兼容的卫星搭载的激光测高仪能量相差过大，需要将动态范围设置到最大，按照本发明的方案此时动态范围可达3个量级，此时每颗卫星只对应一小部分能量区间，每个能量区间内用于划分激光脚点能量变化的能级数不低于10级。

若需要兼容的卫星搭载的激光测高仪能量相差不大，或者不需要兼容探测，可将动态范围设置到最小，同时调节合适的灵敏度以获得最精细的激光能量探测，因为此时卫星所对应的能量区间是探测器整个能量区间，可获得全部的能量等级用于划分激光脚点能量变化。

(2)根据设置的偏置电压的值和放大模块的放大倍数进行探测器校准。

所述探测器校准的方法为：在探测器灵敏度设置完毕后MCU模块开始控制能量校准模块产生大小可调的电流源，电流源由电流源芯片输出，调节方法为改变与电流源芯片相连的数字电位器的阻值，数字电位器的阻值与电流源芯片输出的电流大小关系如图8所示。

数字电位器的阻值越大，电流源输出的电流越小，且在一定的范围内线性变化，通过这种方式可以模拟出不同激光能量下光电转换模块输出的电流，从而对探测器进行校准，具体方法为输出一个电流值的同时记录下AD采样模块的采样值，建立一一对应的关系，比如当电流大小为I0～Ix时，AD采样模块的采样值为L0～Lx，这样就可以通过查表的方式找出某一次探测时探测器探测到的能级实际对应的光电流，进而通过光电流大小与激光能量的关系便可计算出真实的激光能量。

(3)开始探测时光电转换模块中的光敏器件将激光能量转换为相应大小的光电流，光电流再经过跨阻放大器转换为一定大小的电压后输入至峰值检波模块中，此时电压的峰值被保持，如果电压的幅值超过了信号检测模块的阈值则AD采样模块开始采样，如果未超过阈值则AD模块处于禁用状态。

(4)采样开始过程共有4个阶段，如下：

(4.1)MCU模块唤醒AD采样模块开始采样

(4.2)采样完成后，AD采样模块将采样的能级数据连同GPS模块中的时间位置数据一起输入至数据存储模块中，同时给MCU模块输入一个采样完成信号。

(4.3)MCU模块接收到采样完成信号后给能量释放模块发送一个控制指令。

(4.4)能量释放模块将峰值检波模块的电压设置为初始值，完成一次探测。

(5)在探测信号的间隙，MCU模块控制电量检测模块对探测器的电量进行实时检测；控制显示模块进行数据显示；通知通信模块将所有通信数据回传至上位机。

综上，本发明解决了在星载激光测高仪激光地面脚点中心位置定标实验中，用同一种探测器捕获不同卫星激光脚点光斑问题，通过采用多个探测器组成的阵列对激光光斑进行标定，来获取激光地面脚点的中心位置，同时通过调整偏置电压的电压大小可以设置不同的探测动态范围区间，电压越高，探测器的能量探测动态范围越高，兼容的卫星数量也就越多，可根据实际需要进行调整。探测器兼容多卫星方式如图9所示。

以GF-7和陆地生态碳卫星的星载激光测高仪为例，GF-7和陆地生态碳卫星的星载激光测高仪是我国自主研制的对地观测激光测高系统，它能够准确地测量出卫星与地面之间的距离，结合卫星平台的位置和姿态信息，可以提供高精度的地面激光脚点位置数据。GF-7和陆地生态碳卫星的星载激光测高仪在轨测量过程中，受到自身系统误差和环境因素的干扰，其性能指标会受到不同程度的制约，从而影响激光测高仪的观测成果的精度水平。因此，星载激光测高仪在发射前后，需要对其关键指标进行严格的标定。GF-7和陆地生态碳卫星各自的星载激光测高仪地面脚点的中心能量和边缘能量相差近9倍，同时GF-7和陆地生态碳卫星的星载激光测高仪激光出射能量相差6倍，考虑到大气透过率对激光能量的影响，探测器如果想要完成这两颗卫星的兼容至少需要探测器具有超过两个量级的能量动态范围；由于每颗卫星搭载的激光测高仪的激光能量只对应探测器一小部分动态范围，而激光地面脚点中心定位的准确性要求探测器在每个足够小的动态范围内要具有足够多的能级；同时为了保证数据的可信性，还需要探测器在整个范围内保持较好的线性性。

本发明设计的有源激光探测器可以同时兼容GF-7和陆地生态碳卫星的星载激光测高仪，具体的：

(1)本发明通过设置偏置电压模块，使得有源激光探测器具有极高的动态范围，能够兼容不同卫星不同的地面激光脚点能量。

(2)本发明通过设置能量校准模块，使得有源激光探测器在整个动态范围内保持较高的线性性，能够保证整个动态范围内数据的可信性。

(3)本发明通过设置AD采样模块，实现更精细的能量等级划分，能够保证在整个探测动态范围内均能识别到能量等级的变化，每个足够小的能量探测区间内的能级数不低于10级。

(4)本发明通过设置数据存储模块，将不同的卫星搭载的激光测高仪地面脚点能量数据进行储存，并能够随时调用

(5)有些卫星搭载的激光测高仪在一次探测中可多次触发探测器，本发明通过设置偏置电压模块、光电转换模块，使得有源激光探测器具备连续探测能力。

(6)由于探测器内部数据种类繁多，包括经纬度，能级，探测器编号，电池电量等，本发明通过设置OLED显示模块使得有源激光探测器具备人机交互功能，通过设置通信模块使得有源激光探测器能与上位机进行通信。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种高动态范围多卫星兼容有源激光探测器，其特征在于，包括：MCU模块、偏置电压模块、光电转换模块、增益调整模块、放大模块、能量校准模块、AD采样模块、峰值检波模块、能量释放模块；

所述MCU模块分别与所述偏置电压模块、所述增益调整模块连接；所述偏置电压模块的输出端与所述光电转换模块的输入端连接，所述光电转换模块的输出端、所述增益调整模块的输出端分别与所述放大模块的输入端连接；所述能量校准模块分别与所述MCU模块、所述光电转换模块连接；所述MCU模块分别与所述AD采样模块、所述能量释放模块连接；所述峰值检波模块分别与所述AD采样模块、所述能量释放模块、所述放大模块连接；

所述MCU模块用于获取设置信息，根据所述设置信息输出参考电压至所述偏置电压模块，根据所述设置信息输出增益控制信号至所述增益调整模块；所述MCU模块用于输出校准信号至所述能量校准模块；所述MCU模块用于输出采样开始信号至所述AD采样模块，输出采样结束信号至所述能量释放模块；

所述偏置电压模块用于根据所述参考电压输出偏置电压至所述光电转换模块，以调节所述光电转换模块输出信号的动态范围；

所述增益调整模块用于根据所述增益控制信号调节所述放大模块的放大倍数；

所述能量校准模块用于根据所述校准信号调节电流源的电流大小，以补偿所述光电转换模块和所述放大模块的非线性；

所述峰值检波模块用于接收来自所述放大模块的电压信号，并保持电压峰值；

所述AD采样模块用于在接收所述采样开始信号后，将所述峰值检波模块的电压峰值进行能量等级划分得到能级信息，并将所述能级信息输入至所述MCU模块中；

所述能量释放模块用于在接收所述采样结束信号后，将所述峰值检波模块的峰值电平拉低到初始电平以释放所述峰值检波模块的电压峰值。

2.根据权利要求1所述的高动态范围多卫星兼容有源激光探测器，其特征在于，还包括：信号检测模块；

所述信号检测模块分别与所述MCU模块、所述峰值检波模块连接；

所述信号检测模块用于判定所述峰值检波模块中的电压信号为激光电压信号或背景噪声信号；若判断为激光电压信号，则输出一个触发信号至所述MCU模块，所述MCU模块根据所述触发信号发送所述采样开始信号至所述AD采样模块；若判定为背景噪声信号，则所述信号检测模块对所述背景噪声信号进行滤除。

3.根据权利要求1所述的高动态范围多卫星兼容有源激光探测器，其特征在于，还包括：数据存储模块、显示模块、通信模块；

所述数据存储模块、所述显示模块、所述通信模块分别与所述MCU模块连接；

所述数据存储模块用于存储探测器信息，所述显示模块用于显示所述探测器信息，所述通信模块用于将所述探测器信息传输至上位机。

4.根据权利要求3所述的高动态范围多卫星兼容有源激光探测器，其特征在于，还包括：电量检测模块、GPS模块；

所述电量检测模块、所述GPS模块分别与所述MCU模块连接；

所述电量检测模块用于获得探测器的电量信息，所述GPS模块用于将GPS数据输入至所述数据存储模块。

5.根据权利要求1所述的高动态范围多卫星兼容有源激光探测器，其特征在于，所述偏置电压模块包括：正反馈振荡电路、高频变压器模块、高频整流器模块、电压采样模块和负反馈调节模块；

所述正反馈振荡电路、所述高频变压器模块、所述高频整流器模块依次连接，所述高频整流器模块分别与所述电压采样模块、所述负反馈调节模块连接，所述电压采样模块与所述负反馈调节模块连接；

所述正反馈振荡电路用于将来自系统电源的原始输入电压振荡为正弦交流电压，所述高频变压器模块和所述高频整流器模块用于将正弦交流电压转换为高于所述原始输入电压的第一电压，所述电压采样模块和所述负反馈调节模块用于对所述第一电压进行调节，输出与所述参考电压成一定比例关系的偏置电压。

6.根据权利要求1所述的高动态范围多卫星兼容有源激光探测器，其特征在于，所述增益调整模块包括：第一数字电位器、反馈电阻；所述放大模块包括：第一放大器、第二放大器和滤波电路；

所述第一放大器、所述滤波电路、所述第二放大器依次连接；所述反馈电阻分别与所述第一放大器、所述滤波电路、所述第一数字电位器连接；

通过调节所述第一数字电位器的阻值改变所述放大模块的放大倍数。

7.根据权利要求1所述的高动态范围多卫星兼容有源激光探测器，其特征在于，所述能量校准模块包括：第二数字电位器、电流源芯片；

所述电流源芯片用于模拟所述光电转换模块输出的光电流；

通过调节所述第二数字电位器的阻值改变所述电流源芯片输出的光电流的大小。

8.根据权利要求1所述的高动态范围多卫星兼容有源激光探测器，其特征在于，所述峰值检波模块包括：跨导芯片、高速二极管和聚丙乙烯电容；所述能量释放模块包括：高速MOS管和限流电阻；

所述峰值检波模块通过所述高速MOS管和所述限流电阻接地；

所述跨导芯片用于缓冲峰值保持信号和所述放大模块输出的初始电压信号，防止峰值保持信号电流倒灌；所述高速MOS管用于截止反向电压保持峰值；

所述AD采样模块的采样速率大于或等于1Mhz，采样位数大于或等于12位。